Помощь студентам в учебе
МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ ГОРНЫХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ОДНОПОЛЯРНОГО И ДВУПОЛЯРНОГО ИМПУЛЬСА НАПРЯЖЕНИЯ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 14
1.1 Анализ состояния вопроса электроимпульсного разрушения материалов 14
1.2 Электрический разряд как инструмент для разрушения горных пород 18
1.3 ЭИ технологии: бурение, дробление, резание и др. Сравнение с
традиционными способами механического воздействия 20
1.3.1 Бурение 22
1.3.2 Резание 23
1.3.3 Дробление 24
1.3.4 Электроимпульсное разрушение бетона и железобетона 26
1.3.5 Другие применения ЭИ способа разрушения 27
1.4 Пробой различных сред на импульсном напряжении 28
1.4.1 Пробой газов 29
1.4.2 Пробой жидких сред 30
1.4.3 Пробой твердых диэлектриков 31
1.5 Гипотезы механизма внедрения канала разряда в твердый диэлектрик 32
1.6 Проблемы, стоящие перед ЭИ технологиями 34
1.6.1 Изоляция 35
1.6.2 Рабочие жидкости 38
1.7 Влияние полярности на механизм внедрения 40
1.8 Выводы и задачи исследования 43
ГЛАВА 2 МЕТОДИКА И СРЕДСТВА ЭКСПЕРИМЕНТА 45
2.1 Экспериментальные образцы горных пород 45
2.2 Установка для экспериментов с импульсами разной полярности 46
2.3 Установка для экспериментов по организации многоканального пробоя
горных пород 50
2.4 Электродная система 54
2.5 Средства измерения 57
2.6 Описание средств и методики микроскопии образцов гранита 58
2.7 Моделирование процесса пробоя горной породы 59
ГЛАВА 3 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ ГРАНИТА
ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫМ СПОСОБОМ 62
3.1 Экспериментальные результаты по пробою диэлектриков двуполярным
импульсом напряжения 62
3.1.1 Песчаник 67
3.1.2 Гранит 68
3.1.3 Вода 68
3.1.4 Воздух 69
3.2 Экспериментальные результаты по многоканальному разрушению горных
пород двуполярным импульсом напряжения 70
3.3 Экспериментальные результаты по многоканальному пробою и
разрушению гранита однополярным импульсом напряжения 75
3.4 Моделирование 81
3.4.1 Структура гранита 82
3.4.2 Моделирование разрушения и роста трещин 84
3.4.3 Результаты моделирования 86
3.5 Микроскопия 93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 99
ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 101
ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 14
1.1 Анализ состояния вопроса электроимпульсного разрушения материалов 14
1.2 Электрический разряд как инструмент для разрушения горных пород 18
1.3 ЭИ технологии: бурение, дробление, резание и др. Сравнение с
традиционными способами механического воздействия 20
1.3.1 Бурение 22
1.3.2 Резание 23
1.3.3 Дробление 24
1.3.4 Электроимпульсное разрушение бетона и железобетона 26
1.3.5 Другие применения ЭИ способа разрушения 27
1.4 Пробой различных сред на импульсном напряжении 28
1.4.1 Пробой газов 29
1.4.2 Пробой жидких сред 30
1.4.3 Пробой твердых диэлектриков 31
1.5 Гипотезы механизма внедрения канала разряда в твердый диэлектрик 32
1.6 Проблемы, стоящие перед ЭИ технологиями 34
1.6.1 Изоляция 35
1.6.2 Рабочие жидкости 38
1.7 Влияние полярности на механизм внедрения 40
1.8 Выводы и задачи исследования 43
ГЛАВА 2 МЕТОДИКА И СРЕДСТВА ЭКСПЕРИМЕНТА 45
2.1 Экспериментальные образцы горных пород 45
2.2 Установка для экспериментов с импульсами разной полярности 46
2.3 Установка для экспериментов по организации многоканального пробоя
горных пород 50
2.4 Электродная система 54
2.5 Средства измерения 57
2.6 Описание средств и методики микроскопии образцов гранита 58
2.7 Моделирование процесса пробоя горной породы 59
ГЛАВА 3 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ ГРАНИТА
ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫМ СПОСОБОМ 62
3.1 Экспериментальные результаты по пробою диэлектриков двуполярным
импульсом напряжения 62
3.1.1 Песчаник 67
3.1.2 Гранит 68
3.1.3 Вода 68
3.1.4 Воздух 69
3.2 Экспериментальные результаты по многоканальному разрушению горных
пород двуполярным импульсом напряжения 70
3.3 Экспериментальные результаты по многоканальному пробою и
разрушению гранита однополярным импульсом напряжения 75
3.4 Моделирование 81
3.4.1 Структура гранита 82
3.4.2 Моделирование разрушения и роста трещин 84
3.4.3 Результаты моделирования 86
3.5 Микроскопия 93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 99
ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 101
Актуальность темы исследования. Современные механические способы обработки и переработки горных пород, такие как бурение, дробление, резание практически исчерпали потенциал увеличения производительности и надежности, а также времени жизни рабочего инструмента. Особенно остро это ощущается при обработке крепких и особо крепких горных пород, таких как гранит, базальт, диабаз и т. п. Дальнейшее совершенствование способов обработки и переработки горных пород возможно за счет применения принципиально новых механизмов разрушения. Одним из таких механизмов является разрушение материала за счет расширения предварительно внедренного в объем материала канала электрического разряда. Удельная затраченная энергия на отбойку единицы объема породы в этом случае, все еще недостижима в механических системах в большей степени благодаря использованию для отрыва материала сил растяжения, а не сжатия и сдвига, как в традиционных механических способах, а также формированию более крупных фрагментов отколотой породы. Поэтому при соответствующем аппаратурном оформлении данные технологии являются перспективными, особенно при глубоком (3-5 км) и сверхглубоком (6-10 км) бурении скважин, например, для геотермальной энергетики, при строительстве тоннелей и объектов захоронения отработавшего ядерного топлива в скальных массивах, в технологиях разрядно-механического бурения, а также в технологиях снятия поверхностного слоя материала, например, бетона, особенно актуальных при выводе из эксплуатации объектов атомной энергетики.
В настоящее время внедрение вышеназванных технологий в промышленность сдерживается сложностью технической реализации надежного оборудования. Современный срок службы элементной базы (конденсаторы, разрядники) не вполне удовлетворяет промышленным требованиям электроимпульсных (ЭИ) технологий. Элементы со сроком службы > 109 импульсов либо не выпускаются совсем, либо не удовлетворяют по стоимости и масса-габаритным характеристикам. Срок службы оборудования, в большей степени его изоляции, его масса-габаритные и, следовательно, стоимостные характеристики, в том числе определяется уровнем рабочего напряжения, которое для обозначенных ЭИ технологий обычно лежит в пределах от 250 до 600 кВ. При этом верхний предел может быть значительно выше 600 кВ, что зависит от расстояния между электродами в электродной системе. В свою очередь, например для увеличения производительности ЭИ бурения необходимо увеличивать диаметр буровых наконечников (диаметр скважин), что неизбежно влечет увеличение межэлектродных расстояний и как следствие, увеличение уровня импульсного напряжения. В связи с этим, актуальны задачи как по снижению рабочего напряжения и запасаемой энергии генератора, так и по повышению производительности разрушения без необходимости увеличения расстояния между электродами.
Данные задачи могут быть решены путем применения двух генераторов импульсного напряжения (ГИН) обеспечивающих одновременное воздействие импульсов разной полярности на горную породу, что позволяет более чем в 2 раза снизить рабочее напряжение и запасаемую энергию каждого ГИН, тем самым увеличив срок их эксплуатации, а организация пробоя одновременно в нескольких межэлектродных промежутках за один импульс напряжения может позволить увеличить производительность разрушения за счет увеличения площади охвата и, соответственно, увеличения объема разупрочнения горных пород за один импульс напряжения, не прибегая к увеличению межэлектродного расстояния, что также снижает требования к изоляции компонентов ЭИ установки и является большим шагом на пути решения наиболее главных проблем технологии. При доведении технологии до промышленной, Россия может взять первенство в технологиях бурения скважин в условиях Арктики.
Степень разработанности темы исследований. Эффект внедрения разряда в твердый диэлектрик, находящийся под слоем жидкости, был открыт в 60-х годах прошлого столетия. Основоположниками ЭИ технологии являются профессора А.А. Воробьёв, Г.А. Воробьёв, А.Т. Чепиков, а непосредственными руководителями коллективов и разработчиками технологии И.И. Каляцкий, С.С. Сулакшин, Ю.Б. Фортес, Б.В. Сёмкин, А.И. Лимасов, А.Ф. Усов, В.И. Курец, В.Т Казуб, Г.С. Коршунов, С.Я. Рябчиков, Н.Ф. Побежимов, Н.Е. Коваленко. Большой вклад в развитие также внесли В.Ф. Важов, Н.Т. Зиновьев, В.Я. Ушаков, А.А. Дульзон, В.В. Лопатин, В.М. Муратов и др. Среди зарубежных исследователей можно отметить работы B.S. Aadnoy, A. Rodland, R.F. Mitchell, M.L Payne, H. Inoue,
I. Nishizawa, S. Katsuki, H. Akijama, Wolfgang Frey, H Bluhm, William M. Moeny.
На основе данного эффекта предложены и разработаны такие ЭИ технологии разрушения и модификации материалов, как бурение, резание, снятие поверхностного слоя, дробление и т.п. В настоящее время ЭИ технологии вызывают повышенный интерес со стороны как мирового научного сообщества, так и крупных промышленных предприятий, преимущественно за пределами Российской Федерации. Сегодня в данной области ведут исследования такие университеты, как Томский политехнический университет (Россия), Technische Universitat Dresden (Германия), China University of Geosciences (Китай), а также зарубежные компании Komatsu, Schlumberger, Metsa, Unodrill, Halliburton, SwissGeoPower, Selfrag. ЭИ бурение крепких горных пород (гранитов) рассматривается как перспективная технология для организации скважин геотермальной энергетики в ряде зарубежных компаний. Следует отметить, что первенство в разработке указанной технологии принадлежит Томскому политехническому университету. За более чем полувековой период в ТПУ получено огромное количество научной информации. В настоящее время эта информация распространяется по миру и привлекает различных исследователей. В 70-х годах в НИИ ВН при ТПИ (Научно-исследовательский институт высоких напряжений Томского политехнического института), ныне именуемый ИШНПТ ТПУ (Инженерная школа новых производственных технологий Томского политехнического университета), проведены исследования возможности ЭИ бурения вечномерзлых грунтов в условиях Севера, и получены впечатляющие результаты - скорость проходки скважины диаметром 200 мм достигала 12,2 м/ч.
Испытания проводились в Магаданской области на руднике «Экспериментальный». Однако, несмотря на большой пласт исследований, проведенных в 70-х годах, и всевозрастающий интерес к ЭИ технологии в современное время, в том числе за рубежом, до сих пор не проведены исследования воздействия двуполярного импульса напряжения на различные среды, а также не уделено внимание изучению многоканального электрического пробоя в многозазорных системах электродов, что представляет значительный научный и практический интерес.
Целью диссертационной работы является определение возможности и условий одновременного электрического пробоя горных пород в нескольких межэлектродных промежутках, как с различным уровнем напряженности электрического поля, так и в средах с различной диэлектрической проницаемостью, а также определение возможности снижения рабочего напряжения путем воздействия импульсами высокого напряжения разной полярности.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработать стенд для проведения испытаний по разрушению горных пород импульсами разной полярности, как в двух, так и в многоэлектродной системе электродов.
2. Определить зависимость количества внедренных каналов разряда в горную породу и производительность разрушения от напряженности электрического поля при воздействии единичным импульсом напряжения.
3. Определить уровень пробивного напряжения для воздуха, воды и горной породы (песчаник, гранит) при подаче двуполярного импульса напряжения и сравнить полученные данные с известными данными для этих сред в условиях однополярного импульса напряжения.
4. Создать структурную карту гранита на основе реальных образцов для моделирования процессов волновой динамики, происходящих в процессе пробоя горной породы.
5. Провести моделирование процессов волновой динамики с использованием созданной структурной карты гранита в условиях различного количества внедренных каналов разряда, сравнить результаты с данными физических экспериментов.
6. Провести микроскопический анализ поверхности образцов гранита после воздействия импульса напряжения в местах пробоя для определения возможного механизма внедрения канала разряда в гранит.
Научная новизна.
Впервые обнаружено, что одновременное воздействие двух импульсов напряжения разной полярности ведет к снижению пробивного напряжения по сравнению с однополярным импульсом напряжения и в условиях данного исследования достигает: 28% - при пробое песчаника, 23% - гранита, 24% - воды, 25% - воздуха.
Впервые экспериментально показано, что одновременное воздействие двух импульсов напряжения разной полярности позволяет снизить рабочее напряжение каждого генератора более чем в 2 раза.
С ростом напряженности электрического поля при прочих равных условиях, увеличение вероятности осуществления многоканального пробоя гранита наиболее характерно для этиленгликоля и минерального масла.
Внедрению разряда в гранит способствует наличие магнетита, который вызывает искажение и усиление электрического поля, что и определяет траекторию развития разряда.
Предложен способ одновременного воздействия импульсов высокого напряжения разной полярности для разрушения твердого диэлектрика (горных пород).
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость диссертационной работы заключается в углублении и расширении физических представлений о пробое при внедрении канала разряда в горные породы и влиянии жидких сред на эти процессы. Предложена гипотеза теоретического объяснения механизма снижения пробивного напряжения при воздействии двуполярным импульсом напряжения.
Прикладная значимость исследования:
- реализация способа разрушения двуполярным импульсом напряжения в электроразрядных технологиях бурения, дробления, резания и снятия поверхностного слоя материала, что позволяет достичь двукратного снижения рабочего напряжения генераторов импульсов высокого напряжения;
- разработанная структурная карта гранита может быть использована для моделирования электровзрыва, исследования процессов волновой динамики и прогнозирования картины разрушения в зависимости от параметров разрядного контура;
- многозазорная электродная система будет использоваться в дальнейших исследованиях в области ЭИ технологий в ОМ ИШНПТ ТПУ и в учебном процессе.
Связь работы с Государственными программами и темами.
Работа выполнялась в рамках научных проектов: проект РФФИ 16-48-700278 р_а «Электроразрядное разрушение бетонных и железобетонных изделий для их переработки и утилизации» (2016 - 2019 гг.); проект РФФИ 19-38-90071 «Пробой твердых горных пород под слоем жидкости в системе наложенных электродов в нескольких межэлектродных промежутках за один импульс» (2019 - 2022).
Методология и методы исследования. Методология исследования основана на комплексном подходе, включающем экспериментальное исследование пробоя горных пород при одновременном воздействии импульсов напряжения разной полярности и в условиях многоканального пробоя при различных уровнях напряженности электрического поля и различных видах жидких сред; компьютерное моделирование процессов (распределение интенсивности касательных напряжений и давлений, построение структурной карты гранита); сопоставление экспериментальных данных и результатов моделирования.
В качестве источников импульсов высокого напряжения были использованы ГИН по схеме Аркадьева - Маркса и генератор на основе импульсного трансформатора типа EG-350. Пробой горных пород двуполярным импульсом напряжения осуществлялся путем синхронного срабатывания двух ГИН по схеме Аркадьева - Маркса. Для осуществления многоканального пробоя была применена многозазорная система электродов.
Электронная микроскопия образцов гранита выполнена с использованием сканирующего электронного микроскопа Hitachi S-3400N с энерго-дисперсионной приставкой Bruker XFlash 4010 для проведения рентгеноспектрального анализа.
При выполнении численного моделирования процесса разрушения и роста трещин под действием электрического разряда была применена хрупко-упругая модель МДТТ (механика деформируемого твердого тела) в динамической постановке. Задача решалась в двумерной постановке, что было обусловлено сложностью задания трехмерной структуры гранита. Выбрана конечно-разностная схема второго порядка точности для решения динамических задач.
Положения, выносимые на защиту.
1. Воздействие двуполярного импульса напряжения на двухэлектродную систему вызывает снижение пробивного напряжения относительно пробоя однополярным импульсом для всех исследованных сред - твердое тело, жидкость, газ.
2. Увеличение диэлектрической проницаемости жидкой среды вызывает рост среднего количества внедренных каналов разряда с понижением производительности единичного внедрения в каждом межэлектродном промежутке при прочих равных условиях.
3. Внедрению канала разряда в гранит способствует наличие магнетита, который вызывает локальное усиление электрического поля, что и провоцирует начало развития разряда в граните.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием известных исследовательских методов и современного оборудования, систематическим характером проведения экспериментов, измерений и обработкой данных, а также согласием полученных результатов с данными работ других авторов.
Результаты работы были представлены на международных и всероссийских семинарах, симпозиумах и конференциях: Far East Con-2018 - Международная мультидисциплинарная конференция по промышленному инжинирингу и современным технологиям, 2018 г., Владивосток, Россия; Международная научная конференция «Энерго-ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития», 2018 г., Томск, Россия; Двадцать пятая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-25), 2019, Крым, Россия; XIIth China-Russia-Belarus Workshop Perspective plasma technologies 2019, Minsk, Belarus; 14th International Conference "Gas Discharge Plasmas and Their Applications" GDP 2019, Tomsk, Russia; Двадцать шестая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-26, Уфа, Башкортостан); 7th International Congress on energy fluxes and radiation effects (EFRE-2020), 2020, Tomsk, Russia.
Основные публикации.
1. E. V. Petrenko, V. F. Vazhov, & A. S. Yudin (2019). Method for Generating a High Voltage Multipolar Impulse in Electropulse Technologies. В 2018 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies, FarEastCon 2018 [8602703] (2018 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies, FarEastCon 2018). Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.. https://doi.org/10.1109/FarEastCon.2018.8602703.
2. A. Pushkarev, A. Prima, V. Ezhov, I. Miloichikova, & E. Petrenko,
Determination of the Pulsed Electron Beam Spectrum by Current and Voltage Oscillograms. Laser and Particle Beams, 2021, [8815697].
https://doi.org/10.1155/2021/8815697
3. V. F. Vazhov, E. V. Petrenko Space Charge in Polymer Dielectrics Induced by Pulsed and DC Voltages as a Factor Influencing the Time to Breakdown. Physics of the Solid State, 2021, Vol. 63, No. 5, pp. 726-730
4. В.Ф. Важов, Е.В. Петренко, А.С. Юдин Электрическая прочность диэлектриков при воздействии двуполярных импульсов напряжения субмикросекундной длительности // Журнал технической физики, 2022, том 92, вып. 4
Материалы конференций.
1. Е. В. Петренко, В. Ф. Важов, А. С. Юдин. «Исследование внедрения канала разряда в диэлектрике при воздействии разнополярного импульса напряжения» // Энерго-ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития: сборник научных трудов международной научной конференции, г. Томск, 12-16 ноября 2018 г. - С.181 - 182
2. Петренко Е.В., Юдин А.С., Протопопов И.А. «Электроразрядное разрушение железобетонной шпалы однополярным и двуполярным импульсами в системе наложенных электродов» // Сборник тезисов, материалы Двадцать пятой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-25, Крым): материалы конференции, тезисы докладов: В 1 т.Т.1 - Екатеринбург - Ростов-на-Дону-Крым: издательство АСФ России, 2019. - С. 173
- 174
3. Petrenko E. V., Yudin A.S. Formation of multichannel breakdown in electric discharge drilling technologies // XIIth China-Russia-Belarus Workshop Perspective plasma technologies 2019
4. Petrenko E.V., Yudin A.S. Electric discharge destruction of reinforced concrete sleepers with different modes of pulse polarity // 14th International Conference "Gas Discharge Plasmas and Their Applications" GDP 2019: Abstracts. - Tomsk: TPU Publishing House, 2019. - p.205
5. Петренко Е., Юдин А.С. «Влияние индуктивности электродов на формирование многоканального пробоя в горной породе» // Современные материалы и технологии новых поколений: сборник научных трудов II Международного молодежного конгресса, г. Томск, 30 сентября - 5 октября 2019 г.
— Томск : Изд-во ТПУ, 2019. — [С. 342-343].
6. Петренко Е., Юдин А.С. «Формирование многоканального пробоя в электроразрядных технологиях бурения» // Материалы Двадцать шестой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-26, Уфа, Башкортостан): материалы конференции, тезисы докладов: В 1 т.Т.1 - Екатеринбург - Ростов-на-Дону - Уфа: ООО "Альтаир", 2020. - C.444
Личный вклад автора заключается в анализе литературных данных, непосредственном участии в разработке, подготовке и проведении экспериментов, анализе и обсуждении результатов. Постановка задач, обсуждение всех научных результатов и положений, изложенных в работе, проведена совместно с Юдиным А.С. По результатам исследования написаны статьи в соавторстве и сделаны доклады на конференциях.
Структура диссертационной работы. Диссертационная работа изложена на 111 стр., содержит 25 рис., 8 таблиц, 120 источников. Диссертация состоит из введения 3 глав, заключения и списка цитируемой литературы.
В настоящее время внедрение вышеназванных технологий в промышленность сдерживается сложностью технической реализации надежного оборудования. Современный срок службы элементной базы (конденсаторы, разрядники) не вполне удовлетворяет промышленным требованиям электроимпульсных (ЭИ) технологий. Элементы со сроком службы > 109 импульсов либо не выпускаются совсем, либо не удовлетворяют по стоимости и масса-габаритным характеристикам. Срок службы оборудования, в большей степени его изоляции, его масса-габаритные и, следовательно, стоимостные характеристики, в том числе определяется уровнем рабочего напряжения, которое для обозначенных ЭИ технологий обычно лежит в пределах от 250 до 600 кВ. При этом верхний предел может быть значительно выше 600 кВ, что зависит от расстояния между электродами в электродной системе. В свою очередь, например для увеличения производительности ЭИ бурения необходимо увеличивать диаметр буровых наконечников (диаметр скважин), что неизбежно влечет увеличение межэлектродных расстояний и как следствие, увеличение уровня импульсного напряжения. В связи с этим, актуальны задачи как по снижению рабочего напряжения и запасаемой энергии генератора, так и по повышению производительности разрушения без необходимости увеличения расстояния между электродами.
Данные задачи могут быть решены путем применения двух генераторов импульсного напряжения (ГИН) обеспечивающих одновременное воздействие импульсов разной полярности на горную породу, что позволяет более чем в 2 раза снизить рабочее напряжение и запасаемую энергию каждого ГИН, тем самым увеличив срок их эксплуатации, а организация пробоя одновременно в нескольких межэлектродных промежутках за один импульс напряжения может позволить увеличить производительность разрушения за счет увеличения площади охвата и, соответственно, увеличения объема разупрочнения горных пород за один импульс напряжения, не прибегая к увеличению межэлектродного расстояния, что также снижает требования к изоляции компонентов ЭИ установки и является большим шагом на пути решения наиболее главных проблем технологии. При доведении технологии до промышленной, Россия может взять первенство в технологиях бурения скважин в условиях Арктики.
Степень разработанности темы исследований. Эффект внедрения разряда в твердый диэлектрик, находящийся под слоем жидкости, был открыт в 60-х годах прошлого столетия. Основоположниками ЭИ технологии являются профессора А.А. Воробьёв, Г.А. Воробьёв, А.Т. Чепиков, а непосредственными руководителями коллективов и разработчиками технологии И.И. Каляцкий, С.С. Сулакшин, Ю.Б. Фортес, Б.В. Сёмкин, А.И. Лимасов, А.Ф. Усов, В.И. Курец, В.Т Казуб, Г.С. Коршунов, С.Я. Рябчиков, Н.Ф. Побежимов, Н.Е. Коваленко. Большой вклад в развитие также внесли В.Ф. Важов, Н.Т. Зиновьев, В.Я. Ушаков, А.А. Дульзон, В.В. Лопатин, В.М. Муратов и др. Среди зарубежных исследователей можно отметить работы B.S. Aadnoy, A. Rodland, R.F. Mitchell, M.L Payne, H. Inoue,
I. Nishizawa, S. Katsuki, H. Akijama, Wolfgang Frey, H Bluhm, William M. Moeny.
На основе данного эффекта предложены и разработаны такие ЭИ технологии разрушения и модификации материалов, как бурение, резание, снятие поверхностного слоя, дробление и т.п. В настоящее время ЭИ технологии вызывают повышенный интерес со стороны как мирового научного сообщества, так и крупных промышленных предприятий, преимущественно за пределами Российской Федерации. Сегодня в данной области ведут исследования такие университеты, как Томский политехнический университет (Россия), Technische Universitat Dresden (Германия), China University of Geosciences (Китай), а также зарубежные компании Komatsu, Schlumberger, Metsa, Unodrill, Halliburton, SwissGeoPower, Selfrag. ЭИ бурение крепких горных пород (гранитов) рассматривается как перспективная технология для организации скважин геотермальной энергетики в ряде зарубежных компаний. Следует отметить, что первенство в разработке указанной технологии принадлежит Томскому политехническому университету. За более чем полувековой период в ТПУ получено огромное количество научной информации. В настоящее время эта информация распространяется по миру и привлекает различных исследователей. В 70-х годах в НИИ ВН при ТПИ (Научно-исследовательский институт высоких напряжений Томского политехнического института), ныне именуемый ИШНПТ ТПУ (Инженерная школа новых производственных технологий Томского политехнического университета), проведены исследования возможности ЭИ бурения вечномерзлых грунтов в условиях Севера, и получены впечатляющие результаты - скорость проходки скважины диаметром 200 мм достигала 12,2 м/ч.
Испытания проводились в Магаданской области на руднике «Экспериментальный». Однако, несмотря на большой пласт исследований, проведенных в 70-х годах, и всевозрастающий интерес к ЭИ технологии в современное время, в том числе за рубежом, до сих пор не проведены исследования воздействия двуполярного импульса напряжения на различные среды, а также не уделено внимание изучению многоканального электрического пробоя в многозазорных системах электродов, что представляет значительный научный и практический интерес.
Целью диссертационной работы является определение возможности и условий одновременного электрического пробоя горных пород в нескольких межэлектродных промежутках, как с различным уровнем напряженности электрического поля, так и в средах с различной диэлектрической проницаемостью, а также определение возможности снижения рабочего напряжения путем воздействия импульсами высокого напряжения разной полярности.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработать стенд для проведения испытаний по разрушению горных пород импульсами разной полярности, как в двух, так и в многоэлектродной системе электродов.
2. Определить зависимость количества внедренных каналов разряда в горную породу и производительность разрушения от напряженности электрического поля при воздействии единичным импульсом напряжения.
3. Определить уровень пробивного напряжения для воздуха, воды и горной породы (песчаник, гранит) при подаче двуполярного импульса напряжения и сравнить полученные данные с известными данными для этих сред в условиях однополярного импульса напряжения.
4. Создать структурную карту гранита на основе реальных образцов для моделирования процессов волновой динамики, происходящих в процессе пробоя горной породы.
5. Провести моделирование процессов волновой динамики с использованием созданной структурной карты гранита в условиях различного количества внедренных каналов разряда, сравнить результаты с данными физических экспериментов.
6. Провести микроскопический анализ поверхности образцов гранита после воздействия импульса напряжения в местах пробоя для определения возможного механизма внедрения канала разряда в гранит.
Научная новизна.
Впервые обнаружено, что одновременное воздействие двух импульсов напряжения разной полярности ведет к снижению пробивного напряжения по сравнению с однополярным импульсом напряжения и в условиях данного исследования достигает: 28% - при пробое песчаника, 23% - гранита, 24% - воды, 25% - воздуха.
Впервые экспериментально показано, что одновременное воздействие двух импульсов напряжения разной полярности позволяет снизить рабочее напряжение каждого генератора более чем в 2 раза.
С ростом напряженности электрического поля при прочих равных условиях, увеличение вероятности осуществления многоканального пробоя гранита наиболее характерно для этиленгликоля и минерального масла.
Внедрению разряда в гранит способствует наличие магнетита, который вызывает искажение и усиление электрического поля, что и определяет траекторию развития разряда.
Предложен способ одновременного воздействия импульсов высокого напряжения разной полярности для разрушения твердого диэлектрика (горных пород).
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость диссертационной работы заключается в углублении и расширении физических представлений о пробое при внедрении канала разряда в горные породы и влиянии жидких сред на эти процессы. Предложена гипотеза теоретического объяснения механизма снижения пробивного напряжения при воздействии двуполярным импульсом напряжения.
Прикладная значимость исследования:
- реализация способа разрушения двуполярным импульсом напряжения в электроразрядных технологиях бурения, дробления, резания и снятия поверхностного слоя материала, что позволяет достичь двукратного снижения рабочего напряжения генераторов импульсов высокого напряжения;
- разработанная структурная карта гранита может быть использована для моделирования электровзрыва, исследования процессов волновой динамики и прогнозирования картины разрушения в зависимости от параметров разрядного контура;
- многозазорная электродная система будет использоваться в дальнейших исследованиях в области ЭИ технологий в ОМ ИШНПТ ТПУ и в учебном процессе.
Связь работы с Государственными программами и темами.
Работа выполнялась в рамках научных проектов: проект РФФИ 16-48-700278 р_а «Электроразрядное разрушение бетонных и железобетонных изделий для их переработки и утилизации» (2016 - 2019 гг.); проект РФФИ 19-38-90071 «Пробой твердых горных пород под слоем жидкости в системе наложенных электродов в нескольких межэлектродных промежутках за один импульс» (2019 - 2022).
Методология и методы исследования. Методология исследования основана на комплексном подходе, включающем экспериментальное исследование пробоя горных пород при одновременном воздействии импульсов напряжения разной полярности и в условиях многоканального пробоя при различных уровнях напряженности электрического поля и различных видах жидких сред; компьютерное моделирование процессов (распределение интенсивности касательных напряжений и давлений, построение структурной карты гранита); сопоставление экспериментальных данных и результатов моделирования.
В качестве источников импульсов высокого напряжения были использованы ГИН по схеме Аркадьева - Маркса и генератор на основе импульсного трансформатора типа EG-350. Пробой горных пород двуполярным импульсом напряжения осуществлялся путем синхронного срабатывания двух ГИН по схеме Аркадьева - Маркса. Для осуществления многоканального пробоя была применена многозазорная система электродов.
Электронная микроскопия образцов гранита выполнена с использованием сканирующего электронного микроскопа Hitachi S-3400N с энерго-дисперсионной приставкой Bruker XFlash 4010 для проведения рентгеноспектрального анализа.
При выполнении численного моделирования процесса разрушения и роста трещин под действием электрического разряда была применена хрупко-упругая модель МДТТ (механика деформируемого твердого тела) в динамической постановке. Задача решалась в двумерной постановке, что было обусловлено сложностью задания трехмерной структуры гранита. Выбрана конечно-разностная схема второго порядка точности для решения динамических задач.
Положения, выносимые на защиту.
1. Воздействие двуполярного импульса напряжения на двухэлектродную систему вызывает снижение пробивного напряжения относительно пробоя однополярным импульсом для всех исследованных сред - твердое тело, жидкость, газ.
2. Увеличение диэлектрической проницаемости жидкой среды вызывает рост среднего количества внедренных каналов разряда с понижением производительности единичного внедрения в каждом межэлектродном промежутке при прочих равных условиях.
3. Внедрению канала разряда в гранит способствует наличие магнетита, который вызывает локальное усиление электрического поля, что и провоцирует начало развития разряда в граните.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием известных исследовательских методов и современного оборудования, систематическим характером проведения экспериментов, измерений и обработкой данных, а также согласием полученных результатов с данными работ других авторов.
Результаты работы были представлены на международных и всероссийских семинарах, симпозиумах и конференциях: Far East Con-2018 - Международная мультидисциплинарная конференция по промышленному инжинирингу и современным технологиям, 2018 г., Владивосток, Россия; Международная научная конференция «Энерго-ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития», 2018 г., Томск, Россия; Двадцать пятая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-25), 2019, Крым, Россия; XIIth China-Russia-Belarus Workshop Perspective plasma technologies 2019, Minsk, Belarus; 14th International Conference "Gas Discharge Plasmas and Their Applications" GDP 2019, Tomsk, Russia; Двадцать шестая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-26, Уфа, Башкортостан); 7th International Congress on energy fluxes and radiation effects (EFRE-2020), 2020, Tomsk, Russia.
Основные публикации.
1. E. V. Petrenko, V. F. Vazhov, & A. S. Yudin (2019). Method for Generating a High Voltage Multipolar Impulse in Electropulse Technologies. В 2018 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies, FarEastCon 2018 [8602703] (2018 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies, FarEastCon 2018). Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.. https://doi.org/10.1109/FarEastCon.2018.8602703.
2. A. Pushkarev, A. Prima, V. Ezhov, I. Miloichikova, & E. Petrenko,
Determination of the Pulsed Electron Beam Spectrum by Current and Voltage Oscillograms. Laser and Particle Beams, 2021, [8815697].
https://doi.org/10.1155/2021/8815697
3. V. F. Vazhov, E. V. Petrenko Space Charge in Polymer Dielectrics Induced by Pulsed and DC Voltages as a Factor Influencing the Time to Breakdown. Physics of the Solid State, 2021, Vol. 63, No. 5, pp. 726-730
4. В.Ф. Важов, Е.В. Петренко, А.С. Юдин Электрическая прочность диэлектриков при воздействии двуполярных импульсов напряжения субмикросекундной длительности // Журнал технической физики, 2022, том 92, вып. 4
Материалы конференций.
1. Е. В. Петренко, В. Ф. Важов, А. С. Юдин. «Исследование внедрения канала разряда в диэлектрике при воздействии разнополярного импульса напряжения» // Энерго-ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития: сборник научных трудов международной научной конференции, г. Томск, 12-16 ноября 2018 г. - С.181 - 182
2. Петренко Е.В., Юдин А.С., Протопопов И.А. «Электроразрядное разрушение железобетонной шпалы однополярным и двуполярным импульсами в системе наложенных электродов» // Сборник тезисов, материалы Двадцать пятой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-25, Крым): материалы конференции, тезисы докладов: В 1 т.Т.1 - Екатеринбург - Ростов-на-Дону-Крым: издательство АСФ России, 2019. - С. 173
- 174
3. Petrenko E. V., Yudin A.S. Formation of multichannel breakdown in electric discharge drilling technologies // XIIth China-Russia-Belarus Workshop Perspective plasma technologies 2019
4. Petrenko E.V., Yudin A.S. Electric discharge destruction of reinforced concrete sleepers with different modes of pulse polarity // 14th International Conference "Gas Discharge Plasmas and Their Applications" GDP 2019: Abstracts. - Tomsk: TPU Publishing House, 2019. - p.205
5. Петренко Е., Юдин А.С. «Влияние индуктивности электродов на формирование многоканального пробоя в горной породе» // Современные материалы и технологии новых поколений: сборник научных трудов II Международного молодежного конгресса, г. Томск, 30 сентября - 5 октября 2019 г.
— Томск : Изд-во ТПУ, 2019. — [С. 342-343].
6. Петренко Е., Юдин А.С. «Формирование многоканального пробоя в электроразрядных технологиях бурения» // Материалы Двадцать шестой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-26, Уфа, Башкортостан): материалы конференции, тезисы докладов: В 1 т.Т.1 - Екатеринбург - Ростов-на-Дону - Уфа: ООО "Альтаир", 2020. - C.444
Личный вклад автора заключается в анализе литературных данных, непосредственном участии в разработке, подготовке и проведении экспериментов, анализе и обсуждении результатов. Постановка задач, обсуждение всех научных результатов и положений, изложенных в работе, проведена совместно с Юдиным А.С. По результатам исследования написаны статьи в соавторстве и сделаны доклады на конференциях.
Структура диссертационной работы. Диссертационная работа изложена на 111 стр., содержит 25 рис., 8 таблиц, 120 источников. Диссертация состоит из введения 3 глав, заключения и списка цитируемой литературы.
В соответствии с поставленной целью показан способ снижения рабочего напряжения путем применения двуполярного импульса высокого напряжения в ЭИ технологиях, а также определена возможность организации многоканального пробоя и приведена оценка его эффективности в зависимости от вида жидкости и уровня напряжения.
Основные выводы выполненного исследования заключаются в следующем:
1. Установлена возможность осуществления электрического пробоя твердого диэлектрика (гранита) в нескольких межэлектродных промежутках за один импульс высокого напряжения в среде минерального масла, этиленгликоля, деионизованной воды и технической воды. Получены зависимости среднего количества внедренных каналов разряда за один импульс от величины напряженности электрического поля: с ростом напряженности электрического поля при прочих равных условиях, увеличение вероятности осуществления многоканального пробоя гранита наиболее характерно для этиленгликоля и минерального масла.
2. Эффект снижения пробивного напряжения при двуполярном воздействии импульсов характерен для всех диэлектрических сред - газ, жидкость, твердое тело. Реализация этого эффекта для ЭИ технологии позволит существенно, более чем в два раза, снизить рабочие напряжения как генераторов импульсов, так и высоковольтных передающих изоляционных систем от генераторов к нагрузке - рабочим электродным системам, которые, например, при бурении, могут быть удалены на сотни - тысячу метров друг от друга.
3. Установлено, что чем больше комплексное сопротивление проводов, соединяющих электроды ГИН, тем меньше объем разрушения при многоканальном пробое. Следовательно, это один из факторов, влияющих на производительность (объем) разрушения в ЭИ технологиях разрушения горных пород.
4. Установлено, что внедрению канала разряда в гранит способствует наличие магнетита, который вызывает локальное усиление электрического поля, что и провоцирует начало развития разряда в граните.
5. Разработана программа для численного моделирования многоканального пробоя. Составлена структурная карта гранита с использованием среза реального образца. Смоделирована картина распределения интенсивности касательных напряжений и давления.
6. Сконструирована система перемещения генератора в трех осях c дистанционным управлением, состоящая из двухуровневого подвижного металлического корпуса, привода и пульта управления. Данная система имеет широкий спектр настроек управления и может быть адаптирована под различные задачи связанные с изучением ЭРТ. Установка будет внедрена в учебный процесс и использована для проведения лабораторных работ при подготовке студентов бакалавров и магистров ОМ ИШНПТ.
7. Отработана электродная система, особенность которой заключается в наличии пяти равных межэлектродных промежутков, располагающихся в один ряд на поверхности образца. В ходе работы возникали проблемы, связанные с электрическим пробоем изоляции некоторых электродов. При соответствующем выборе габаритов и подборе материалов изоляции, ресурс электродной системы может быть увеличен. Электродную систему также планируется внедрить в учебный процесс для демонстрации и изучения эффекта многоканальности.
Настоящая работа является первой в области электроразрядных технологий по одновременному внедрению канала разряда в твердый диэлектрик за один импульс высокого напряжения. Полученные результаты исследования носят прикладной характер и являются важным дополнением для дальнейшей разработки и внедрения эффекта многоканальности в электроразрядные технологии.
Основные выводы выполненного исследования заключаются в следующем:
1. Установлена возможность осуществления электрического пробоя твердого диэлектрика (гранита) в нескольких межэлектродных промежутках за один импульс высокого напряжения в среде минерального масла, этиленгликоля, деионизованной воды и технической воды. Получены зависимости среднего количества внедренных каналов разряда за один импульс от величины напряженности электрического поля: с ростом напряженности электрического поля при прочих равных условиях, увеличение вероятности осуществления многоканального пробоя гранита наиболее характерно для этиленгликоля и минерального масла.
2. Эффект снижения пробивного напряжения при двуполярном воздействии импульсов характерен для всех диэлектрических сред - газ, жидкость, твердое тело. Реализация этого эффекта для ЭИ технологии позволит существенно, более чем в два раза, снизить рабочие напряжения как генераторов импульсов, так и высоковольтных передающих изоляционных систем от генераторов к нагрузке - рабочим электродным системам, которые, например, при бурении, могут быть удалены на сотни - тысячу метров друг от друга.
3. Установлено, что чем больше комплексное сопротивление проводов, соединяющих электроды ГИН, тем меньше объем разрушения при многоканальном пробое. Следовательно, это один из факторов, влияющих на производительность (объем) разрушения в ЭИ технологиях разрушения горных пород.
4. Установлено, что внедрению канала разряда в гранит способствует наличие магнетита, который вызывает локальное усиление электрического поля, что и провоцирует начало развития разряда в граните.
5. Разработана программа для численного моделирования многоканального пробоя. Составлена структурная карта гранита с использованием среза реального образца. Смоделирована картина распределения интенсивности касательных напряжений и давления.
6. Сконструирована система перемещения генератора в трех осях c дистанционным управлением, состоящая из двухуровневого подвижного металлического корпуса, привода и пульта управления. Данная система имеет широкий спектр настроек управления и может быть адаптирована под различные задачи связанные с изучением ЭРТ. Установка будет внедрена в учебный процесс и использована для проведения лабораторных работ при подготовке студентов бакалавров и магистров ОМ ИШНПТ.
7. Отработана электродная система, особенность которой заключается в наличии пяти равных межэлектродных промежутков, располагающихся в один ряд на поверхности образца. В ходе работы возникали проблемы, связанные с электрическим пробоем изоляции некоторых электродов. При соответствующем выборе габаритов и подборе материалов изоляции, ресурс электродной системы может быть увеличен. Электродную систему также планируется внедрить в учебный процесс для демонстрации и изучения эффекта многоканальности.
Настоящая работа является первой в области электроразрядных технологий по одновременному внедрению канала разряда в твердый диэлектрик за один импульс высокого напряжения. Полученные результаты исследования носят прикладной характер и являются важным дополнением для дальнейшей разработки и внедрения эффекта многоканальности в электроразрядные технологии.
