Приложение 10. Обоснование требований к изделиям в части воздействия влажности воздуха
1. Действие влажности воздуха (как внешнего воздействующего фактора) на изделия и материалы учитывают при интерпретации климатических данных для технических целей и задании требований к изделиям по влажности, выборе режима испытаний изделий, расчете влагозащиты изделий на период их эксплуатации или на период хранения и транспортирования, выборе оптимальных правил технического обслуживания изделий и эксплуатации. Во всех этих случаях принимают во внимание следующее:
а) действие влажности на громадное большинство изделий связано со сравнительно продолжительными процессами диффузии или электрохимическими процессами;
б) в естественных условиях на изделия воздействует переменная влажность.
Поэтому в первую очередь следует учитывать не верхние, а эффективные значения влажности и температуры. Такие значения влажности учитывают при оценке параметров изделий, связанных со сравнительно длительными процессами (изменением сопротивления, емкости, электрической прочности полимерной изоляции; процессами набухания, старения, коррозии, электролиза, гидролиза). Однако, поскольку некоторые быстроразвивающиеся процессы (например, для диэлектриков — изменение напряжения перекрытия или токов утечки по поверхности) зависят от верхнего значения влажности, в требованиях приводят также верхние значения.
2. В общем виде действие влажности на изделия при их эксплуатации и хранении определяется ее действием на металлы и полимерные материалы. Результат действия влажности на металлы определяется в основном необратимыми процессами (коррозия, иногда — электролиз), на полимерные материалы — как обратимыми процессами (например, диффузия), так и необратимыми (старение). При этом в необратимых процессах совместно с температурно-влажностным комплексом участвует агрессивная среда (например, промышленные загрязненные атмосферы).
3. Исследования влияния значений влажности и температуры, а также концентрации агрессивной среды на сроки службы и сохраняемость изделий или материалов (далее — сроки L), определяемого влиянием этих значений на скорости указанных химических и физических процессов [1] — [3], позволяют сделать вывод о том, что это влияние может быть определено по формуле (4) (п. 6.2).
Это соотношение может служить математической моделью долговечности и сохраняемости изделий или материалов [4].
4. При использовании указанной в п. 3 настоящего приложения модели необходимо учитывать следующие ограничения: при изменении температуры, влажности или концентрации агрессивной среды может происходить изменение доминирующего процесса, определяющего возникновение отказа, в связи с чем изменяется энергия активации или порядок процесса. В этом случае математическая функция, определяемая по формуле (4) (п. 6.2), теряет непрерывность, и модель может быть применена отдельно в каждом из диапазонов значений климатических факторов, разграниченных областями потери непрерывности, так что приходится дополнительно экспериментально определять эти “критические области”. Однако реально считаться с этой возможностью приходится при ускоренных испытаниях и значительных пределах экстраполяции. Маловероятно, чтобы эти изменения оказывали влияние в диапазонах изменения температуры и влажности, встречающихся в эксплуатации. Исключение могут составлять коррозионные процессы, когда значения коэффициентов математической модели могут изменяться при переходе через значение критической влажности (75-80 %, для некоторых случаев — 60-40 %). Снижению этой вероятности способствует и то, что в процессе конструирования изделий стараются подобрать такие материалы, которые по априорным данным не обладают резкими изменениями свойств в предполагаемых условиях эксплуатации. По этим причинам в диапазонах эксплуатационных значений внешних факторов чрезвычайно редко приходится считаться с возможностью изменения этих коэффициентов.
5. Значения показателей температуры и влажности (а также концентрации агрессивной среды), полученные при периодических наблюдениях за изменением этих значений в естественных условиях, могут быть обобщены с помощью эффективных значений температуры Тэ, [4], [5], влажности hэ и концентрации агрессивной среды Сэ, определяемых по формулам (1) — (3) (п. 6.2).
Эти соотношения получены из предположения, что сумма долей износа изделия или материала (1/L по формуле (4) при переменных значениях воздействующих факторов (температуры, влажности, концентрации агрессивной среды) равна износу изделия или материала при эффективном значении фактора.
6. По результатам исследований ряда разнородных материалов и изделий [1], [2], [6] — [9], [15] установлено, что при воздействии (в сочетании с температурой) влажности в атмосферных условиях наиболее вероятные значения Еэ лежат в пределах 40 — 125 кДж/моль (10 — 30 ккал/моль), а значения коэффициента n — в пределах 2 — 8.
При этом полученные экспериментальные значения, как правило, составляли:
— значения Еэ: для разрушения в агрессивных средах – 40 — 63 кДж/моль (10 — 15 ккал/моль), для воздействия влажности на электрическую изоляцию и полиэтиленовую упаковку — 63 кДж/моль (15 ккал/моль), для термоокислительного старения электрической изоляции – 75 — 125 кДж/моль (18 — 30 ккал/моль); для коррозии стали и некоторых других металлических материалов и покрытий – 30 — 67 кДж/моль (7 — 16 ккал/моль) (по результатам испытаний в естественных условиях [16]);
— значения n: для разрушения в агрессивных средах – 2 — 4, для влагопроницаемости через полиэтиленовую пленку и малополярные электроизоляционные компаунды — ~4, 5, для изоляций с пропитываемыми обмотками и сильноточных электротехнических изделий – 7 — 8; для коррозии цинка и кадмия в диапазоне 90 — 95 % влажности – 8 — 9 [16], [19], [20], при меньшей влажности и для некоторых металлов коэффициенты ниже вплоть до значении 1,5 — 2.
7. Были проведены расчеты эффективных значений температуры и влажности для ряда представительных пунктов в различных макроклиматических районах земного шара и сравнения этих значений со средними годовыми значениями температуры и влажности с использованием данных о суммарной продолжительности сочетаний температуры и относительной влажности воздуха согласно [10] — [14]. На основании расчетов и сравнении был сделан вывод о том, что каждый тип климата в принципе обладает особенностями распределения значений температурно-влажностного комплекса, которые позволяют получить простые эмпирические соотношения, связывающие эффективные значения со среднегодовыми. Эти соотношения дают с доверительной вероятностью до 0,95 удовлетворительные результаты в пределах естественных среднегодовых значений. Такие обобщенные соотношения для отдельных значений ЕЭ и п (большинство случаев) приведены в табл. 9б (п. 6.4.2). Иными словами, существует четкая корреляция между среднегодовыми значениями температуры и влажности и влиянием на свойства технических изделий длительно воздействующих переменных природных значений влажности и температуры, наблюдаемых в конкретном районе.
Различие между отдельными материалами и изделиями выражаются в различиях значений постоянных поправок, которые надо прибавлять к среднегодовым значениям температуры и влажности, чтобы получить конкретные эффективные значения указанных факторов. Таким образом, значения сочетания “среднегодовая относительная влажность — среднегодовая температура” являются наиболее объективным представительным метеорологическим показателем, на котором должно базироваться климатическое районирование для учета воздействия влажности на технические изделия, сооружения и материалы (и который, в свою очередь, отражает особенности данного района).
Приведенные соображения не противоречат необходимости для конкретных параметров изделий или материалов пользоваться другими конкретными значениями. Например, для параметров коррозии металлов имеет большое значение годовая продолжительность пребывания конденсационной или фазовой пленки влаги на металле. Учитывая при этом, что фактическая продолжительность пребывания пленок (особенно фазовой) может существенно отличаться от измеренной стандартными методами, так как зависит от материала (металл, пленка окисла, краска), от шероховатости поверхности, иногда от конфигурации детали, можно принять, что во многих случаях указанная продолжительность также связана со среднегодовыми значениями относительной влажности.
Действие влажности на некоторые материалы (например, иногда на лакокрасочные покрытия) учитывают только в весенне-летне-осенний период (например, только при температурах выше 0 °С).
Для того чтобы оценить возможность унификации способов расчета, эффективные значения температуры и влажности определяли для некоторых пунктов районов с холодным и умеренным климатами с учетом и без учета зимнего периода года. Полученные эффективные значения оказались практически одинаковыми, так как при низкой температуре резко снижается действие влажности. Поэтому и в таких случаях проще брать за базу для расчета среднегодовые значения.
8. Свойства изделия противостоять влиянию влажности в сочетании с температурой, характерные для тех или иных условий эксплуатации, в конечном итоге могут быть выражены продолжительностью влагозащиты данного изделия. Под продолжительностью влагозащиты понимают такую продолжительность непрерывного воздействия постоянных и переменных значений влажности, в течение которой параметры изделий (или системы электрической изоляции), определяемые влиянием влажности внешней среды, превышают установленные критические значения в условиях эксплуатации или испытаний (это соответствует сроку L в формуле (4) п. 6.2).
Продолжительность влагозащиты целесообразно выражать не в абсолютных, а в относительных единицах, например в виде отношения продолжительности влагозащиты данной конструкции при выбранных значениях влажности и температуры LТh к продолжительности влагозащиты этой же конструкции при 25 °С и 98-100 % относительной влажности L25,100 (приведенная продолжительность влагозащиты К)
(1)
В этом случае из результатов исследований в значительной степени устраняется фактор влияния формы конструкции [1].
Приведенная продолжительность влагозащиты К представляет собой обобщающий показатель (параметр) стойкости изделий к воздействию сочетания “влажность — температура” и может быть использована как обобщенный показатель для классификации условий эксплуатации по их воздействию на технические изделия.
9. Проанализировав данные определения параметра K для многих географических пунктов в разных типах климатов и для указанных выше типичных значений коэффициентов Еэ и n, в том числе приведенных в [22], и приняв для крупномасштабного обобщения одинаковые ступени нарастания жесткости для классификационных групп, установили обобщенный критерий классификации климатов земного шара по влиянию влажности на технические изделия. При этом оказалось, что отношения параметров К, определенные для крайних граничных значений четырех групп климатических диапазонов — для верхних границ наиболее увлажненных и наиболее сухих районов, — составляют 6,5 — 7 для одного из типичных значений n = 4,5 и 10 — 11 для другого типичного значения n = 8, отношения для n = 2 практически совпадают с отношениями для n = 4,5.
Таким образом, наибольшие различия в значениях указанных параметров для разных групп материалов не превышают 30 %. Столь небольшие различия позволяют установить единые степени жесткости от района к району с двумя градациями доверительных вероятностей. С доверительной вероятностью 0,95 единые степени изменения жесткости для каждого района и групп материалов, для которых п составляет 2-6, получаются равными 1,5-1,6; для групп материалов, имеющих п в диапазоне 6-10, — равными 1,8. Средние значения степеней изменения жесткости 1,6 могут быть приняты с доверительной вероятностью 65 % без различия групп материалов.
По данным табл. 9б (п. 6.4.2) и формулам (1) — (4) п. 6.2 были определены значения сочетания “среднегодовая относительная влажность — среднегодовая температура” для граничных значений диапазонов параметров К. При этом различия в значениях К для разных групп материалов нивелировались из-за различных поправок при переходе от эффективных к средним значениям согласно табл. 9б.
10. Полученные по данным, указанным в п. 9 настоящего приложения, диапазоны значений сочетания “среднегодовая относительная влажность — среднегодовая температура” нанесены на климатограмму (черт. 1, приложение 9).
Диапазоны значений на этой климатограмме являются критериями для классификации типов климатов, отнесения к определенному типу климата того или иного географического пункта и для крупномасштабного районирования Земного шара по воздействию влажности на технические изделия.
11. По граничным значениям параметра К (п. 9 настоящего приложения) определены номинальные среднегодовые и эффективные значения температуры и влажности для разных условий эксплуатации (табл. 9а, п. 6.3).
12. Степени изменения жесткости между граничными линиями (п. 9 настоящего приложения) могут быть использованы также при установлении различия в жесткостях режимов ускоренных испытаний изделий на стойкость (устойчивость) к воздействию влажности так, чтобы эти режимы обеспечивали одинаковые сроки пребывания изделий в разных условиях эксплуатации, определенных видом климатического исполнения (например, 1 или 2 года, как в [21]).
Степени изменения жесткости (п. 9 настоящего приложения) могут быть использованы также для установления измененных сроков эксплуатации или хранения изделий с одинаковой влагозащитой при изменении фактических условий эксплуатации или хранения по сравнению с номинальными [22] при градации условий, соответствующих виду климатического исполнения.
Если требуются не только такие, но и более мелкие градации изменения условий, используют зависимости (черт. 1 и 2, п. 6.5), полученные на основе экспериментальных данных.
Пример использования этих зависимостей:
Конкретное изделие вида климатического исполнения В5 было установлено для эксплуатации в номинальных для этого изделия условиях при номинальном сроке службы 20 лет. Однако оказалось, что в результате профилактических работ расположенного в том же помещении другого оборудования, указанное изделие каждый год в течение 12 ч подвергается воздействию относительной влажности 100 % при температуре 70 °С. Чтобы установить, насколько это допустимо, по табл. 9а определяют, что для номинальных условий эксплуатации В5 эффективное значение сочетания “относительная влажность — температура” составляет 80 % при 27 °С. По черт. 2 определяют, что для этого сочетания К = 2. По тому же чертежу определяют, что для сочетания 100 % при 70 °С К= 0,04. Следовательно, степень ужесточения условий 2,0 : 0,04 = 50 раз, и каждые 12 ч пребывания изделия в новых условиях эквивалентны 25 сут. пребывания в номинальных условиях. Если известно, что в результате действия влажности в изделии происходят необратимые процессы, вызывающие ухудшение параметров, то номинальный срок службы этого изделия должен быть сокращен на 25х20 = 500 сут = 1,4 года. Если же известно, что при действии влажности параметры изделия ухудшаются из-за обратимых процессов, что устраняют при эксплуатационном техническом обслуживании, то сокращению на 25 эквивалентных суток подлежат периоды между операциями технического обслуживания, причем только те, на которые приходится 12-часовое пребывание в новых условиях, без сокращения номинального срока службы.
(Измененная редакция, Изм. № 4).
