Mechanical-acoustic and structural investigations of degradation processes of aluminous insulator porcelain C 130 type

• Autorzy: Ranachowski P. , Rejmund F. , Pawełek A. , Piątkowski A.

Warianty tytułu

PL

Mechaniczno-akustyczne i strukturalne badania procesów degradacji izolatorowej porcelany wysokoglinowej rodzaju C 130

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Presented paper aims to estimate the resistance of porcelain C 130 type to aging degradation processes during long-lasting period of exploitation. The objects of investigation were specimens made of high mechanical strength aluminous porcelain of C 130 type. This kind of material is used in the production of reliable electrotechnical elements such as insulators of overhead power lines. In case of the insulators not only high mechanical strength but especially elevated durability as well as operational reliability are required. The paper comprises the results of microscopic, ultrasonic as well as acoustic emission (AE) measurements of samples subjected to slowly increasing compressive stress. It concerns problems connected with exploitation, production technology and ultrasonic measurements of specially prepared samples of porcelain. The samples prepared for examination were divided into three groups: first . without any defects, second . with faults of smaller or medium intensity, and third . containing numerous defects in structure. The acoustic parameters of not loaded samples and the ones loaded to various values of compressive stress were measured. Moreover, some of the specimens were additionally subjected to 200.C temperature action. This enabled verifying the insulator material resistance to temperature increase as a result of leakage currents. The analysis of the obtained results revealed that the mechanism of ultrasonic wave propagation in porcelain of C 130 type is different from that in the case of typical aluminosilicate ceramic materials. This is the consequence of the effective reinforcement of the material structure by densely dispersed corundum and mullite phases in glassy matrix. Measurements of the attenuation coefficient offer better possibility to estimate the structure degradation of the porcelain material than ve- locity of ultrasonic wave propagation. Subsequently, the effect of the structural defects, introduced into the material, on the mechanical-acoustic behaviour and on the strength of the samples was presented. The occurrence of the pseudoplasticity effect, directly proportional to the presence of technological defects in the structure of the material, was observed. The acousto-mechanical measurements were completed by microscopic analysis of the porcelain material. The phases�f content was recognized. There were described the structures of samples belonging to three groups containing technological defects and with different advancement of material degradation. Presented results enable to drawn up conclusions concerning the resistance of the ceramic material to the aging degradation processes development during long term exploitation.

PL

Praca ma na celu ocenę odporności tworzywa rodzaju C 130 na procesy degradacji starzeniowej podczas wieloletniej eksploatacji. Obiekt badań stanowi porcelana wysokoglinowa rodzaju C 130 o dużej wytrzymałości mechanicznej. Tworzywo tego typu stosowane jest do produkcji odpowiedzialnych elementow elektrotechnicznych jak izolatory napowietrznych linii energetycznych. W przypadku tych wyrobow wymagana jest nie tylko duża wytrzymałość, lecz przede wszystkim wysoka trwałość i niezawodność. Przedstawiono wyniki badań mikroskopowych, ultradźwiękowych oraz emisji akustycznej (EA) probek poddanych wolno narastającym naprężeniom ściskającym. Omowione zostały zagadnienia eksploatacyjne tworzywa, technologia wytwarzania oraz badania ultradźwiękowe specjalnie wytworzonych probek porcelany. Przygotowane probki materiału podzielone zostały na trzy grupy - kształtki pozbawione wad technologicznych, probki zawierające defekty strukturalne o mniejszym lub średnim nasileniu oraz kształtki posiadające liczne wady. Mierzone były parametry akustyczne probek nieobciążonych oraz po przyło- żeniu naprężeń ściskających o rożnej wartości. Kilka probek było ponadto poddanych działaniu temperatury 200?C. Miało to na celu sprawdzenie odporności tworzywa na temperaturę, podwyższoną w wyniku prądow upływu. Pomiary ultradźwiękowe wykazały, że mechanizm propagacji fal w porcelanie rodzaju C 130 jest odmienny niż w ty- powych glinokrzemianowych materiałach ceramicznych. Wynika to z występowania gęsto rozłożonych ziarn korundu oraz sieci drobnych igłowych kryształow mulitu w matrycy tworzywa wysokoglinowego. Badania ultradźwiękowe i mikroskopowe potwierdziły ważną rolę tych faz w strukturalnym wzmocnieniu materiału oraz wysoką odporność osnowy na powstawanie i propagację pęknięć. Stwierdzono, że pomiary wspołczynnika tłumienia dają lepszą możliwość oceny stopnia degradacji materiału w porownaniu do prędkości propagacji fal ultradźwiękowych. Zasadniczą część pracy stanowią badania wpływu wprowadzonych do materiału wad struktury na charakterystykę mechani- czno-akustyczną oraz wytrzymałość mechaniczną probek poddanych wolno narastającym obciążeniom ściskającym. Wyniki ba- dań mechaniczno-akustycznych skorelowane zostały z analizą mikroskopową struktury probek o rożnym stopniu zaawansowania procesu degradacji materiału. Określono wpływ defektow technologicznych o rożnym stopniu nasilenia na postępujący proces rozwoju mikropęknięć oraz szczelin. Dokonano oceny wpływu poszczegolnych faz tworzywa na przebieg procesu degradacji struktury czerepu. Na podstawie przedstawionych badań sformułowano wnioski odnośnie odporności tworzywa na rozwoj procesow degradacji starzeniowej podczas wieloletniej eksploatacji.

Słowa kluczowe

EN

electrotechnical porcelain; compressive strength; structural degradation; acoustic emission; ultrasonic testing

PL

badanie ultradźwiękowe; emisja akustyczna; procesy degradacji starzeniowej; porcelana wysokoglinowa rodzaju C 130; porcelana

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 52, iss. 4
• Strony: 641--654
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys.

Twórcy

autor

Ranachowski P.

autor

Rejmund F.

autor

Pawełek A.

autor

Piątkowski A.

• Institute Of Fundamental Technological Research, Polish Academy of Sciences, 00-049 Warszawa, 21 Świętokrzyska Str.,Poland

Bibliografia

• [1] IEC Publication 672-1:1995 Ceramic and glass- insulating materials, Part 1: Definitions and classification.
• [2] IEC Publication 672-2:1999 Ceramic and glass- insulating materials, Part 2: Methods of test.
• [3] IEC Publication 672-3:1997 Ceramic and glass- insulating materials, Part 3: Specifications for individual materials.
• [4] W. Carty, U. Senapaty, Porcelain - Raw Materials, Processing, Phase Evolution and Mechanical Behavior, J. Am. Ceram. Soc. 81 [1], 3-20 (1998).
• [5] J. Dziadkowiec, E. Kupiec, Procesy starzeniowe w izolatorach ceramicznych, Energetyka 5, 166-170 (1992).
• [6] W. Czaplak, Analiza uszkadzalności izolatorów długopniowych i możliwości ich użytkowania w sieciach 110-220 kV, Energetyka 11, 69-73 (1987).
• [7] J. Liebermann, Avoiding Quartz in Alumina Porcelain for High-Volta ge Insulators, American Ceramic Society Bullettin 80, 6-7, 37-48 (2001).
• [8] P. Ranachowski, F. Rejmund, M. Jaroszewski, J. Fleszyński, Ultradźwiękowa diagnostyka ceramicznych izolatorów liniowych po wieloletniej eksploatacji, Przegląd Elektrotechniczny, 1'2005, X Sympozjum Problemy Eksploatacji Układów Izolacyjnych Wysokiego Napięcia, Krynica, 211-214 (2005).
• [9] J. Gajewski, A. Majewski, Wytrzymałość mechaniczna nowych typów wysokonapieciowych izolatorów ceramicznych produkcji ZPE "ZAPEL" S.A., Prace Naukowe Instytutu Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii Politechniki Wrocławskiej, Nr 32, Seria: Konferencje, Nr 9, Mat. Konf. NIWE'97, 13-18 (1997).
• [10] Data made available to authors by ZAPEL S.A. Company in Boguchwala near Rzeszów.
• [11] P. Ranachowski, F. Rejmund, A. Pawełek, A. Piątkowski, Structural and acoustic investigation of the quality and degradation processes of electrotechnical insulator porcelain under compressive stress, Proc. of AMAS Workshop on Nondestructive Testing of Materials and Structures II NTM . 03, IFTR PAS Warsaw, 179-196 (2003).
• [12] P. Ranachowski, F. Rejmund, A. Pawełek, A. Piątkowski, Structural and Acoustic Measurements of Aluminous Porcelain under Compression Load, 14, Molecular and Quantum Acoustics 23, 363-376 (2002) Gliwice.
• [13] I. Malecki, Physical Foundations of Technical Acoustics, Pergamon Press, Oxford, Chapter 3 (1969).
• [14] H. E. Ryll-Nardzewska, J. Ranachowski, Ultradźwiękowe badania właściwości sprężystych tworzyw ceramicznych, W książce pod red. Ranachowski J.: Elektroceramika - wybrane metody badań, tom. 2. PWN, Warszawa-Poznań, 35-48 (1982).
• [15] A. Śliwiński, Ultradźwięki i ich zastosowania, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, wydanie drugie, Warszawa, rozdzialy 2 i 4 (2001).
• [16] P. Ranachowski. W. M. Rećko, Urządzenie do precyzyjnych pomiarów prędkości propagacji fal ultradźwiękowych i współczynnika tłumienia w tworzywach ceramicznych, Szkło i Ceramika 54, 4, 15-18 (2003).
• [17] J. Ranachowsk i, F. Rejmund, Emisja akustyczna w ceramice technicznej, w: Emisja Akustyczna -Źródła Metody Zastosowania, red. Malecki I., Ranachowski J., wyd. Biuro PASCAL, Warszawa, 55-107 (1994).
• [18] J. Ranachowski, I. Malecki, Możliwości oceny pseudoplastyczności materiałów ceramicznych metodą emisji akustycznej, w: Nowe Kierunki Technologii i Badań Materiałowych, Praca zbiorowa pod red. Ranachowski J., Raabe J., Petrovski V., Wydawnictwo IPPT PAN, Warszawa, 35-46 (1999).
• [19] A. S. E vans, T. G. Langdon, Structural Ceramics, in: Progress in Materials Science, red. Chalmers S., Christian J. W., Massalski T. S. 21, Pergamon Press, 171-441, (1976).
• [20] P. Ranachowski, F. Rejmund, A. Pawełek, A. Piątkowski, Structural and Acoustic Measurements of Aluminous Porcelain under Compression Load, 14, Molecular and Quantum Acoustics 23, Gliwice, 363-376 (2002).
• [21] P. Ranachowski, F. Rejmund, A. Pawełek, A. Piątkowski, Akustyczne i strukturalne badania tworzywa kordierytowego przy naprężeniach ściskających, Mat. LI Otwartego Seminarium z Akustyki OSA'2004, Gdańsk-Sobieszewo, 195-200 (2004).