инженеру-теплотехнику, конструктору нестандартного оборудования, кандидату
технических наук Ковалеву Игорю Сергеевичу.
Большая часть территории Российской Федерации находится в зоне с суровыми климатическими условиями, в которых периоды с низкими температурами окружающей среды превышают 50% времени годового периода. В настоящее время продолжается интенсивное освоение природных богатств и промышленное развитие этих областей. Из-за недостаточной изученности влияния низких температур на свойства материалов, используемых в эксплуатируемых технических изделиях и оборудовании, промышленные предприятия и организации несут значительные потери, связанные с отрицательным влиянием низких температур на прочностные и эксплуатационные свойства материалов и оборудования.
Государственный стандарт (1) устанавливает нормы по климатическому исполнению электрооборудования для зон с холодным климатом (со средней из ежегодных минимумов температур ниже 45 °C и градиентом рабочих температур при эксплуатации от -60°C до +40°C) при размещении электрического оборудования
— для работы в закрытых помещениях с природной вентиляцией,
— для работы в помещениях с искусственно регулируемым климатом,
— для работы в помещениях с повышенной влажностью.
Воздействию низких температур подвергаются очень многие материалы, из которых изготавливаются, например, трубы для газо- и нефтепроводов, резервуары для нефтепродуктов, мосты, железные дороги, автомобили, летательные аппараты, механическое и электротехническое оборудование и приборы.
Основное требование к материалам, работающим в условиях низких температур — отсутствие хладноломкости, поэтому для надежной работы материала необходимо, чтобы температурный порог хладноломкости был ниже рабочей температуры, при которой эксплуатируется изделие из данного материала. У металлов, например, при низких температурах наблюдается потеря пластичности и вязкости, склонность к хрупкому разрушению.
Теплоемкость и теплопроводность материалов уменьшаются в разы при низких температурах, а в жидкостях резко увеличивается вязкость.
Кроме критериев хладостойкости основанием для выбора материалов являются их прочностные характеристики, а также физические и технологические свойства. Низкие температуры главным образом ухудшают основные физико-механические свойства конструкционных материалов. К тому же скорость изменения (снижения) температуры (в течение суток или нескольких часов) увеличивает эффект вредного воздействия на оборудование и приборы, так как резкое изменение температуры воздуха и неравномерное охлаждение материала вызывает появление дополнительных напряжений в нем и возрастание скорости процессов механического разрушения нагруженного твердого тела.
Технологичность и пригодность необходимо оценивать при выборе материала для использования при низких температурах с учетом общего заключения о том, что при понижении температуры увеличиваются твердость, сопротивление и модуль упругости.
Низкие температуры влияют на свойства полимерных материалов, вызывая процесс их стеклования. Эластомеры — каучук становятся жесткими, подобно термопластам при низких температурах, становясь ломкими при очень низких температурах. Несмотря на это, полимеры с их уникальной комбинацией тепловых свойств при их низкой плотности, диэлектрической способности и отсутствии намагничивания остаются наиболее приемлемы для низкотемпературных применений.
Характеризуя использование электротехнических материалов и оборудования при низких температурах необходимо отметить следующие основные стороны данной темы:
Металлы при очень низких температурах могут терять пластичность и становиться более хрупкими, что влияет на их способность выдерживать ударные и взрывные нагрузки. Низкие температуры оказывают серьезное влияние на углеродистые стали быстро превращая металл из пластичного в хрупкий, а алюминиевые сплавы характеризуются минимальными изменениями при воздействии низких температур. Для большинства металлов, используемых для изготовления электрических оболочек низкие температуры должны оказывать минимальное воздействие на их пластичность. Следует уделять особое внимание при выборе крепежа монтажных конструкций, корпусов оборудования и других деталей, которые могут стать хрупкими при низких температурах. Материалы деталей, находящихся внутри оболочек, также могут испытывать отрицательное действие низких температур. Несмотря на то, что эти детали защищены от ударов оболочкой, в случае приобретения хрупкости от действия низкой температуры они могут дать трещину от вибрации и действия прочих нагрузок.
Стандартный оловянно-свинцовый припой может иметь достаточно высокую критическую температуру хрупкости, но производители изделий должны гарантировать пригодность припоя к использованию для данных температурных условий.
Большинство пластмасс, используемых в электрооборудовании, имеют состав, специально рассчитанный на обеспечение определенной прочности при низких температурах, но всегда необходимо уточнять этот момент у производителя, так как некоторые пластмассы могут все же охрупчиваться при низких температурах (2).
Эластомеры и резиновые компоненты становятся более жесткими и менее гибкими при низких температурах, что приводит к потере плотности и герметичности сальников и оказывает негативное влияние на характеристики изделия. Перспективным направлением в разработке морозостойких эластомерных уплотнительных материалов является создание материалов на основе смесей полимеров (2). В настоящее время в промышленности Российской Федерации используется резиновая смесь В-14 на основе бутадиен-нитрильного каучука и это единственный каучук, выпускаемый в России, обладающий достаточной морозостойкостью (3).
Смазочные материалы, применяемые на практике, часто влияют на пригодность оборудования для использования при низких температурах. Смазочные материалы могут замерзать и вызывать отказы оборудования, если их состав не соответствует возможности использования при низких температурах. Всегда необходимо следовать инструкциям производителя и убеждаться, что смазочный материал соответствует возможности использования при низких температурах. Для нормализации работы смазочных материалов при низких температурах разработаны и внедрены присадки, которые обеспечивают их всесезонное использование. Эта присадка представляет собой тонкодисперсный порошок из синтетических алмазов, добавление которого в масло в малых количествах (0,05 — 0,5%) снижает коэффициент трения в подшипниках скольжения в 1,5 — 1,8 раз, при этом темп износа трущейся пары снижается в 10 — 20 раз. (3).
Изоляция кабелей и проводов может затвердевать и охрупчиваться при снижении температуры окружающей среды. При монтаже кабелей при низкой температуре их можно повредить, поэтому их рекомендуется прокладывать при температурах на 15 °C выше температуры испытания на изгиб в холодном состоянии и принимать меры для избегания при монтаже ударов, падений или перегибов кабеля, и прокладывать его в тот же день, в который он получен из хранения в теплых условиях (2).
Сальники кабелей и кабелепроводов могут иметь проблемы при монтаже в условиях низких температур и их не следует устанавливать в очень холодную погоду. Сальниковое уплотнение, рассчитанное для работы при температуре 50 °C и ниже необходимо заливать при температуре выше 0 °C, иначе его работоспособность не обеспечивается.
Пусковые кнопки становятся жесткими при низких температурах, так как консистентная смазка, применяемая для обеспечения плавной работы компонентов кнопочного механизма, становится вязкой в холодную погоду, что мешает нормальной работе механизма. Консистентная смазка при впитывании влаги может замерзать при низкой температуре. Переключатели в сравнении с кнопками проще управляются и могут быть лучшим выбором для использования при низких температурах. Вне зависимости от применения — нажимные кнопки или переключатели — необходимо быть уверенным в возможности использования их смазки для работы при низких температурах.
Для нормальной работы щитов управления при низких температурах необходимо использовать регулируемые нагреватели, чтобы поддерживать температуру внутри щита на уровне, необходимом для безопасной работы коммутационного устройства, а также для устранения возможности образования инея внутри щита во время обесточивания.
Стандартная аппаратура не испытывается очень низкими температурами и рекомендуемые предельные температуры лежат в пределах -20°C — -25°C, но тем не менее на рынке присутствует аппаратура для использования при очень низких температурах (от -40°C и ниже).
Литература.
1. ГОСТ 15 150−69 (код ХЛ 3.4.5).
2. Применение электротехнического оборудования при низких температурах. Техническая статья WP083007RUIEEE октябрь 2013 г.
3. Кобылин В. П., Черский И. Н. и др. Смазочный материал для техники северных регионов. Колыма-Магадан, 2001 г. стр.56−59.
4. Талиханов М. Ф. Усиление смеси полимеров порошкообразным наполнителем. Журнал Пластические массы, 1999 г. № 3, стр. 9−11.