Разрушение сосудов высокого давления

ФИЗИКА ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ, исследование влияния, оказываемого на вещество очень высокими давлениями, а также создание методов получения и измерения таких давлений. История развития физики высоких давлений – удивительный пример необычайно быстрого прогресса в науке, опирающейся, в основном, на свои, достигнутые в прошлом, успехи. Возникновение физики высоких давлений как области серьезной научной деятельности восходит к выполненным почти 200 лет назад и опубликованным Лондонским королевским обществом экспериментам Дж.Кантона (1718–1772), в которых он установил, что вода, считавшаяся до того несжимаемой жидкостью, обладает измеримой сжимаемостью. После этого на протяжении почти 50 лет ничего существенного в физике высоких давлений получено не было. Затем темпы прогресса постепенно нарастали, и к концу 19 в. сформировались крупные исследовательские центры в Великобритании, Франции и Германии. В начале 20 в. бум исследований в этой области дошел до России и США, а ныне они ведутся в академических и промышленных лабораториях всего мира, причем уровень давлений возрастает и получаются все более важные результаты. Напомним, что под давлением понимается не просто сила, а сила, отнесенная к единице площади. Очень высокое давление можно получить, располагая сравнительно небольшой силой, если приложить ее к достаточно малой площади.

Технические проблемы.

Из основных проблем можно указать следующие три: проблема предотвращения протечки жидкости, в которой создается давление и которая передает это давление, проблема предотвращения разрушения сосуда, ограничивающего область высокого давления, и проблема точнoгo измерения давления и вызываемых им физических эффектов. К настоящему времени эти проблемы в значительной мере решены, а в тех случаях, когда решения не вполне удовлетворительны, известны принципы, на которых должно быть основано адекватное решение.

Проблема протечки.

Поначалу проблема предотвращения протечки была самой трудной. В первых исследованиях с высокими давлениями соединения уплотняли сургучом (рис. 1,а); хорошо спроектированными соединениями такого типа можно было пользоваться до давлений порядка нескольких сот атмосфер. (Атмосфера как единица давления равна атмосферному давлению при нормальных условиях, т.е. 0,1 МПа.) Для более высоких давлений применяли соединения, которые и сейчас часто используются в гидравлических установках, с упругой прокладкой, зажимаемой между двумя фланцами (рис. 1,б). Однако такие уплотнения не выдерживали давления порядка тысячи атмосфер, поскольку из них выбивались прокладки. В конце 19 в. эту трудность удалось устранить французскому физику Э.-И.Амага (1841–1915), который так изменил конструкцию соединения, что мягкая прокладка была со всех сторон окружена поверхностями металлических деталей и не могла быть выбита. Такое уплотнение выдерживало давления до 3000 атм. Протечка возникала, лишь когда давление жидкости сравнивалось с давлением, которое создавалось затягиванием винтов или гаек, сжимающих соединение.

В начале 20 в. П.Бриджмену удалось сделать завершающий шаг на пути создания конструкции соединения, плотность которого автоматически повышается под действием самого давления (рис. 1,в). Если такое соединение правильно спроектировано, то протечка жидкости невозможна, сколь бы велико ни было давление, и предел достижимого давления определяется лишь прочностью деталей, ограничивающих область высокого давления. Парадоксально, но проблема предотвращения протечек при комнатной температуре решается сама собой, если давление выше ~30 000 атм., поскольку все жидкости и большинство газов затвердевают при таких давлениях и обычных температурах.

Прочность сосудов высокого давления.

Вторая проблема – проблема прочности ограничивающего сосуда – возникла уже при сравнительно невысоких давлениях. Трудности такого рода почти всегда были связаны с дефектными материалами; эти трудности отпали в результате успехов материаловедения и технологии производства.

Когда же стали достижимы давления, измеряемые десятками тысяч атмосфер, не было адекватных теоретических представлений о том, чего следовало ожидать, и прогресс стал возможен лишь на эмпирической основе. Тем не менее было ясно, что прочность сосуда, работающего под давлением, нельзя обеспечить, увеличивая лишь толщину его стенок. Напряжения и деформации растяжения сосуда концентрируются в средней части его стенки, и увеличение толщины стенки выше некоторого предела ненамного повышает прочность сосуда. Максимальное давление, достижимое при использовании лучших из имеющихся в настоящее время сталей в сочетании с методом предварительного нагружения сосуда внешним давлением, составляет примерно 20 000–30 000 атм.

Для получения давлений, значительно превышающих указанное, необходимо усложнить конструкцию. Разработан ряд схем такого усложнения. В самой простой из них (рис. 2) сосуду высокого давления снаружи придается коническая форма. По мере повышения внутреннего давления весь такой сосуд вдавливается независимо управляемым гидравлическим прессом в массивное соответствующее сосуду по фopмe и размерам кольцо, так что на сосуд действует давление извне, увеличивающееся согласованно с повышением внутреннего давления. Таким способом достигаются давления порядка 60 000–70 000 атм. – вдвое большие, чем на установках с простыми сосудами высокого давления. Для достижения еще более высоких давлений можно использовать принцип мультипликации (рис. 3), при котором аппарат высокого давления полностью помещается внутрь аппарата менее высокого давления типа показанного на рис. 2. Теоретически нет предела для давлений, которых можно было бы достичь, увеличивая число ступеней мультипликации. Но из-за технических трудностей пока что удалось осуществить только двухступенчатую схему.

Возможны и другие варианты этой схемы. Путем сочетания двух ступеней в установке, в которой усеченный конус прижимается к массивной плите, причем сам он полностью окружен жидкостью, находящейся под давлением в 30 000 атм., П.Бриджмену удалось получить статические давления, превышающие 400 000 атм. Аналогичная техника применяется все чаще, и сообщения в литературе о статических давлениях в несколько сот тысяч атмосфер становятся все более привычными.

Измерение высоких давлений.

Что касается третьей проблемы, а именно измерения давления и вызываемых им эффектов, то здесь технические трудности почти целиком связаны с деформациями аппарата, вызываемыми самим давлением. В диапазоне нескольких сот атмосфер, который долгое время оставался главной областью исследований, деформация аппарата не оказывала серьезного влияния на точность измерения давления, т.к. давление можно было измерять ртутным манометром. Но даже в этом диапазоне сравнительно низких давлений деформация материалов существенным образом сказывалась на точности измерения таких чувствительных параметров, как сжимаемость жидкостей. В «пьезометрах», устроенных по принципу термометра, сжимаемость определялась по смещению уровня жидкости в капилляре при воздействии давления на баллон. При таких условиях поправка на деформацию пьезометра составляет весьма заметную долю полного эффекта. К тому же погрешности в измерении сжимаемости сказывались на результатах измерения давления, т.к. при высоких давлениях, достижимых с открытым ртутным манометром, становится существенной поправка на сжимаемость ртути.

Первый шаг к устранению такого рода неопределенностей в измерении давления сделал Амага, применивший манометр со «свободным» поршнем. Такой манометр требует величайшей точности изготовления. Поршень должен быть так подогнан, чтобы не было ни заметной протечки, ни заметного трения. При использовании такого манометра давление определяется по полной силе, с которой жидкость, находящаяся под давлением, выталкивает поршень. Давление в работе Амага не превышало 3000 атм. (При таких давлениях поправки на деформацию манометра не очень значительны и могут быть с хорошей точностью вычислены на основе теории упругости, ныне хорошо разработанной.)

Бриджмен, пользуясь весьма упрощенным вариантом манометра со свободным поршнем, представленным на рис. 4, расширил диапазон прямого измерения давления до 13 000 атм. В этом упрощенном манометре на цилиндр с измерительным поршнем действует само измеряемое давление, сжимая его и уменьшая протечку. Для того чтобы расширить диапазон измерения давления методом «свободного поршня» с 13 000 до 25 000–30 000 атм, нужно определить поправку на деформацию поршня и цилиндра непосредственно путем измерений, проведенных в сосуде высокого давления, т.к. при указанных давлениях эта деформация велика и не может быть точно рассчитана на основе теории упругости. Найденные прямым путем значения деформации позволяют внести соответствующие поправки в результаты измерения сжимаемости. При нынешнем уровне знаний и при существующих методах измерений давление до 30 000 атм. и вызываемые им эффекты можно будет, по-видимому, измерять с точностью, близкой к 0,1%. При более высоких давлениях неопределенности непрерывно возрастают и приходится прибегать к поправкам, основанным на экстраполяции. В настоящее время неустранимая неопределенность в начальной части диапазона давлений, измеряемых сотнями тысяч атмосфер, составляет, по-видимому, всего лишь несколько процентов.

Динамические давления.

Выше речь шла только о статических давлениях. Но наряду с ними имеются также динамические, или быстропеременные, давления, которые удобнее всего создавать в ударных волнах, возникающих при детонации бризантных взрывчатых веществ. В таких условиях могут достигаться давления, измеряемые миллионами атмосфер, хотя теоретически и это далеко не предел. На практике наиболее важные эксперименты до сих пор проводились при давлениях, не превышающих полумиллиона атмосфер. Длительность действия таких давлений измеряется микросекундами, так что здесь требуются, очевидно, совершенно новые методы измерения. Данная область исследований еще не стала полностью самостоятельной, и часто чувствуется необходимость в дополнении ее результатов измерениями, проведенными в статических условиях при более низких давлениях, особенно такими, как измерения сжимаемости металлов, выполненные в Лос-Аламосе Дж.Уолшем и его коллегами.

Еще более высокие давления развиваются при ядерных взрывах – это поистине астрономические величины, равные давлению в центре звезд, которое может составлять сотни и тысячи миллионов атмосфер. Пока что они использовались только в исследованиях ядерной экскавации по проекту «Плоушер» Комиссии по атомной энергии США. Можно думать, что при таких давлениях свойства вещества радикально отличаются от того, что нам сейчас известно.

Физические эффекты.

Были проведены широкие исследования влияния, оказываемого давлением на различные физические свойства вещества. При давлениях до 30 000 атм. оказалось возможным исследовать почти все физические свойства многих веществ в области температур, близких к комнатной. В диапазоне от 30 000 до 100 000 атм., а иногда и выше, круг измеряемых параметров был менее широк, но можно было исследовать влияние давления на объем, электросопротивление и фазовые изменения почти всех химических элементов и многих соединений, причем все это при температурах, не более чем на несколько сот градусов отличающихся от комнатной. Наиболее эффектным было влияние давления на фазовые превращения, которые обычно связаны с резким изменением кристаллической формы. Так, обычная вода под давлением обнаруживает семь разных форм твердой фазы, одна из которых устойчива при температурах выше 200° С, если давление поддерживается выше 45 000 атм. Металлический висмут под давлением претерпевает ряд фазовых превращений примерно такой же, как у воды. Почти все фазовые превращения, вызываемые давлением, обратимы, так что при снятии давления материал возвращается в исходное состояние. Но в некоторых случаях давление вызывает необратимые изменения. Наиболее разительный пример – фосфор, который под давлением в несколько десятков тысяч атмосфер может быть необратимо превращен в черный фосфор, проводящий электричество, с плотностью, на 50% превышающей плотность обычного желтого фосфора.

Во второй половине 20 в. наблюдался очень быстрый прогресс в области давлений, измеряемых сотнями тысяч атмосфер. Самым эффектным достижением явилось, несомненно, получение синтетических алмазов в СССР и США, для чего потребовалось совместить давления порядка 100 000 атм. с температурами от 2000 до 3000° С и достаточно долго поддерживать такие условия. Теперь имеется возможность синтезировать мелкие технические алмазы абразивного качества в необходимых количествах. Установка, на которой синтезируются алмазы, может быть приспособлена для изучения фазовых превращений и электросопротивления, и новая информация в этой области быстро накапливается. Так, например, под давлением порядка 100 000 атм. можно понизить температуру плавления германия на 500° С.

Еще одно достижение, весьма важное в теоретическом отношении (т.к. оно, по-видимому, поможет глубже изучить свойства вещества), – разработанный Х.Дрикеймером из Иллинойсского университета способ изготовления из обычной каменной соли оптических окон, позволяющих исследовать оптические свойства различных материалов при давлениях, достигающих 200–300 тыс. атм. Суть его в том, что толщина цилиндрического окна должна быть много больше диаметра; тогда силы трения, действующие на цилиндрическую поверхность, не позволят деформировать ее силе давления, действующей на поперечное сечение цилиндра.