Ультразвуковое исследование разрушения угля при термоциклировании

Внедрение: 2020 г.

Угольную продукцию обычно транспортируют и хранят в циклически меняющихся положительных и отрицательных температурных режимах, что влечет за собой изменение механических и потребительских свойств угля. В работе [1] исследованы образцы антрацита и каменного угля в условиях циклического замораживания-оттаивания при различном содержании воды. В циклах замораживания-оттаивания образцы подвергались непрерывному ультразвуковому зондированию. 

Комплекс оборудования для изучения влияния циклического замораживания-оттаивания на спектральные характеристики продольных волн в образцах угля состоит из лабораторного стенда для ультразвуковых испытаний и универсальной климатической камеры КТХВ‑150 (рисунок 1).

Рис. 1. Стенд для испытаний: 1 – термопара для измерения температуры внутри образца; 2 – термопара для измерения температуры воздуха в камере; RТ – приемный преобразователь; TP – передающий зонд; АЦП – аналого-цифровой преобразователь E20‑10.

Акустические преобразователи Р-волн, используемые для ультразвукового зондирования, имеют центральную частоту 150 кГц. Для акустической развязки использовался войлок толщиной 10 мм. На передающий зонд подавался сигнал от генератора импульсов амплитудой 300 В. Сигнал, прошедший через образец, поступал с приемного преобразователя на вход АЦП модуля E20‑10, который подключался к ПК. АЦП настраивался на частоту дискретизации 5 МГц. Длина записи составила 4096 отсчетов. Температура контролировалась двумя термопарами. Первая закреплялась в отверстии, просверленном в центре образца, где измерялась температура, вторая предназначалась для измерения температуры в ячейке и располагалась вне образца.

Для циклического замораживания-оттаивания образцов угля использовали программируемую климатическую камеру КТХВ‑150. Исследования проведены для двух групп проб углей, отобранных из месторождений Апсатского (каменный уголь) и Донецкого (антрацит) бассейнов.

Образцы испытывали при разных уровнях водонасыщения. Образцы помещались в климатическую камеру, где на них закреплялись термопары, а к их поверхности надежно крепились акустические преобразователи. Затем производили циклическое замораживание-оттаивание образцов. 

В результате проведённого исследования авторы делают вывод, что тип угля и содержание воды в образцах существенно влияют на их стойкость к циклическому замораживанию-оттаиванию. Образцы сухого угля характеризуются обратимым циклическим изменением спектров сигналов, что свидетельствует об отсутствии значительных дефектов. Увеличение содержания воды в образцах до 1 % не приводит к усилению затухания сигнала; однако частичное выпадение высокочастотных составляющих в спектрах сигналов указывает на образование дефектов малого размера. Увеличение содержания воды до 2 % способствует необратимому изменению спектров сигналов на фоне макротрещин по плоскостям расслоения. Более однородный антрацит проявляет более высокую стойкость к повреждениям от замораживания-оттаивания, чем битуминозный уголь.

Авторы также отмечают, что применение ультразвукового зондирования в сочетании со спектральной обработкой сигналов может быть использовано для прогнозирования распада углей при транспортировке, а также для экспресс-анализа содержания воды в углях при отрицательных температурах. Полученные результаты являются экспериментальной базой для разработки новых подходов к изучению механизма разрушения углей в условиях замораживания-оттаивания при решении задач дегазации.

Источник:

1. Shkuratnik, V & Nikolenko, Petr & Anufrenkova, P & Epshtein, Svetlana. (2021). Failure Mechanism of Coal under Freeze–Thaw Conditions from the Spectrum Analysis of Ultrasonic Scanning Data. Journal of Mining Science. 57. 3‑12. 10.1134/S1062739121010
2. Ультразвуковые измерения в образцах угля с использованием поперечных упругих волн: [Электронный ресурс] // ООО «Л Кард». М,. 2022. URL: https://www.lcard.ru/portfolio/acoustic_method_b (дата обращения: 05.03.2022).
3. Исследование динамики разрушения угля под воздействием циклического замораживания–оттаивания: [Электронный ресурс] // ООО «Л Кард». М,. 2022. URL: https://www.lcard.ru/portfolio/fracture_dynamics (дата обращения: 05.03.2022).

Разработчик: Шкуратник В.Л., Николенко П.В., Ануфренкова П.С., Эпштейн С.А. (НИТУ «МИСиС», Москва)