Введение к работе
Актуальность темы исследования
Одной из важнейших проблем топливно-энергетического комплекса РФ является обеспечение надежности и безопасности эксплуатации трубопроводных систем, общая протяженность которых составляет более 2 млн. км. В частности, в настоящее время изоляционные покрытия 70 % линейной части трубопроводов не соответствуют требованиям действующих строительных норм и правил, что предопределяет необходимость проведения их срочного капитального ремонта. В то же время, широко используемые в отрасли полимерные покрытия, которые наносят на внешнюю поверхность труб в процессе ремонта, как правило, не обеспечивают длительную защиту трубопроводов вследствие жестких условий их эксплуатации, сочетающих в себе воздействие коррозионных сред и механических нагрузок различной природы. Характерными дефектами покрытий, возникающими в таких условиях, являются отслоение, нарушение сплошности, деградация структуры, а также развитие тех дефектов, которые возникли из-за несоблюдения технологии ремонта. В связи с этим становится очевидной актуальность создания новых изоляционных покрытий с более высокими эксплуатационными характеристиками. Отметим, что важной сопутствующей задачей является разработка научных основ и технологий улучшения физико-механических свойств уже известных покрытий, поскольку решение данной задачи позволило бы получить значительный эксплуатационный и экономический эффект на основе существующих технологий и материалов.
В последние годы стало находить довольно широкое применение электромагнитное излучение сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона для термообработки грунтов (укрепление грунта в местах прокладки трубопроводов), повышения прочности пенобетона в строительстве, активации различных химических реакций, увеличения селективности катализаторов и т.п. СВЧ излучение используется также с целью повышения твердости эпоксидного компаунда и улучшения свойств полиэтилена высокой прочности, что по области применения непосредственно примыкает к изоляционным покрытиям.
Как известно, СВЧ излучение по сравнению с другими физическими полями (упругие колебания ультразвукового диапазона частот, инфракрасное излучение, виброобработка и т.д.) обладает рядом преимуществ: интенсифицирует энергообмен в веществе путем преобразования излучаемой энергии в кинетическую энергию колебаний молекул; обеспечивает равномерность обработки вещества в облучаемом объеме, отсутствие необходимости использования дополнительных ингредиентов для трансформации структуры вещества, высокую стабильность энергетического потока вследствие отсутствия инерционности при варьировании его мощности. Именно эти особенности природы СВЧ излучения и технологий его применения позволили с успехом использовать данный вид обработки вещества в приведенных выше отраслях науки и производства. Следует также подчеркнуть, что при прочих равных условиях агрегаты на основе СВЧ излучения, как правило, наиболее эффективны, так как диссипация энергии при обработке минимальна, а ее распределение по облучаемому объему стабильно и равномерно. Кроме того, в большинстве случаев данный способ не требует длительной обработки вещества, что также приводит к экономии энергии и, соответственно, является экономически более целесообразным.
В свете изложенного представляется актуальным проведение исследований механизма воздействия СВЧ излучения на структуру и физико-механические свойства полимерных материалов с целью создания серии агрегатов, позволяющих осуществлять их энергоэффективную обработку, которая обеспечивала бы улучшение эксплуатационных характеристик изоляционных покрытий.
Тема и содержание диссертационной работы соответствуют формуле специальности 05.02.13 - «область науки и техники, включающая разработку научных и методологических основ конструирования, производства и эксплуатации машин, агрегатов и процессов», а также области исследования - «разработка научных и методологических основ проектирования и создания новых машин, агрегатов и процессов в соответствии с современными требованиями технологии, качества, надежности, долговечности, промышленной и экологической безопасности».
Степень разработанности темы
К моменту начала работы над диссертацией в российских и зарубежных периодических изданиях и монографиях отсутствовали сведения о применении СВЧ излучения с целью улучшения физико-механических свойств полимерных покрытий. Имелись лишь данные об использовании СВЧ излучения для повышения прочности и теплостойкости эпоксидного компаунда и полиэтилена высокой плотности, а также ускорения процесса отверждения материалов на их основе. Таким образом, тема исследования была практически не разработанной.
Цель и задачи работы
Цель работы - повышение эксплуатационной надежности нефтегазового оборудования путем применения полимерных изоляционных покрытий с улучшенными физико-механическими свойствами, получаемыми в результате обработки покрытий физическими полями с использованием оригинальных агрегатов, разработанных на базе научно обоснованных концепций и методологий.
В диссертации решались следующие задачи:
1 Анализ и обобщение мирового опыта в области влияния физических
полей на строение и свойства материалов на основе высокомолекулярных
соединений. Разработка научных концепций и обоснование целесообразности и
перспективности применения электромагнитного излучения СВЧ диапазона с
целью улучшения эксплуатационных характеристик полимерных покрытий на
основе прогнозируемого изменения их строения и свойств.
-
Выбор и разработка расчетных и экспериментальных методов исследований, позволяющих детально изучить влияние СВЧ излучения на строение и свойства полярных полимеров и обеспечивающих при этом высокую достоверность результатов.
-
Разработка лабораторных установок и проведение исследований поглощающей способности полимеров при воздействии на них СВЧ излучения, а также его влияния на строение и свойства этих материалов.
4 Разработка на основании проведенных исследований способа
производства полимерной изоляционной пленки с улучшенными
эксплуатационными свойствами посредством ее обработки СВЧ излучением.
5 Разработка конструкций агрегатов для СВЧ обработки полимерных
материалов в различных условиях их протяжки и нанесения, а также научно
обоснованного метода расчета рабочих параметров этих агрегатов.
-
Создание математической модели кинетики нагрева системы «полимерная пленка с клеевой подложкой - праймер - металл» с целью получения соответствующего математического аппарата для расчета необходимых рабочих параметров этой системы.
-
Создание автоматизированной системы управления мобильной СВЧ установкой, позволяющей оптимизировать поглощение полимерной пленкой СВЧ излучения по всей поверхности изолированного трубопровода, и ее внедрение в условиях действующих нефтегазовых предприятий.
Научная новизна
1 С использованием современных методов исследования физико-механических свойств полярных полимеров впервые экспериментально показано, что электромагнитное излучение СВЧ диапазона приводит к значительному снижению их водопоглощения в результате уменьшения межмолекулярного расстояния в цепях. Последнее объясняется тем, что происходят конформационные изменения структуры под воздействием энергии излучения. Данный факт подтверждается ростом удельного электросопротивления полярных полимеров. Установлено значительное повышение их термостабильности и температуры стеклования, что свидетельствует о росте степени кристалличности, подтверждающемся увеличением твердости образцов полимеров после СВЧ обработки. При этом полярные полимеры сохраняют высокую эластичность. Данные закономерности, обеспечивающие проявление высоких эксплуатационных свойств полярных полимеров, наблюдаются при удельной энергии СВЧ излучения в диапазоне 102,5... 205,8 кДж/кг при продолжительности облучения не более трех минут.
-
С учетом определенного диапазона допустимой удельной энергии СВЧ излучения научно обоснован способ размещения и функционирования СВЧ агрегата в технологической линии производства полимерных покрытий, который устанавливает температурный критерий начала СВЧ обработки, зависящий от природы обрабатываемого полимера. В частности, для поливинилхлорида (ПВХ) этим критерием является значение температуры стеклования, которое в зависимости от компонентного состава композиции находится в пределах 85... 89С, что на 3... 7 градусов превышает температуру стеклования (82... 83С) в отсутствие СВЧ обработки, то есть СВЧ излучение способствует расширению температурного диапазона переработки ПВХ, повышая тем самым его термостабильность.
-
На основании проведенных теоретических исследований и разработанного способа СВЧ обработки полярных полимеров научно обоснованы пять конструкций СВЧ агрегатов, которые позволяют инициировать перестройку макромолекул полимера в различных режимах с целью получения необходимой структуры и обеспечения высоких эксплуатационных свойств изоляционного покрытия независимо от условий его протяжки и нанесения. Разработан аналитический метод расчета параметров предложенных СВЧ агрегатов, основанный на выявляемой в ходе расчетов связи между удельной энергией СВЧ излучения и степенью поглощения его покрытием, что позволяет экономить энергию, поглощаемую полимерной пленкой.
4 Разработана научно обоснованная математическая модель кинетики
нагрева системы «полимерная пленка с клеевой подложкой - праймер - металл»,
используя которую можно рассчитать необходимые параметры данной системы и
тем самым обеспечить формирование высоких эксплуатационных свойств
покрытия. При этом предложенная модель учитывает воздействие на структуру
пленки части энергетического потока, отраженного от поверхности металла
трубы, которая может быть определена количественно в сравнении с величиной
общей энергии излучения СВЧ агрегата. Экспериментальными исследованиями
показано, что температура в паре «клей - праймер» на 3... 5 градусов выше, чем
температура полимерной пленки, что является достаточным для существенного повышения ее адгезии к металлу трубы.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость работы заключается в научном обосновании возможности применения электромагнитного излучения СВЧ диапазона для целенаправленного изменения структуры полярных полимеров, в результате чего обеспечивается улучшение их физико-механических и эксплуатационных свойств, приводящее к росту защитных характеристик и долговечности изоляционных покрытий.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
-
Экспериментальные результаты исследований воздействия электромагнитного поля СВЧ диапазона на структуру и эксплуатационные свойства полярных полимеров, а также разработанные агрегаты для его осуществления могут быть использованы с целью создания инновационных технологий и оборудования, предназначенных для обработки полимерных покрытий различного строения и назначения как на стадии производства, так и на стадии эксплуатации. При этом обеспечивается не только повышение надежности и долговечности покрытий и трубопроводов в целом, но и высокая энергоэффективность такого рода технологий, сочетающаяся с минимальным негативным воздействием на окружающую среду и технический персонал предприятий.
-
Разработан способ производства изоляционного покрытия (патент РФ № 2461586), преимущество которого заключается в том, что улучшение структуры и свойств полимерной пленки достигается не в результате изменения ее компонентного состава и привлечения химических технологий, а посредством СВЧ обработки, которая более энергоэффективна, а достигаемый результат превосходит таковой при использовании известных и распространенных способов.
-
Разработаны и внедрены в ОАО «Башкирская содовая компания» (г. Стерлитамак), ООО ПКФ «Полипласт» (г. Ишимбай) и ОАО «Каустик» (г. Волгоград) пять вариантов СВЧ агрегатов для обработки полимерных пленок (патент РФ на полезную модель № 118818), которые охватывают основные режи-
мы подачи и натяжения полимерной пленки в технологических линиях ее производства. Данные агрегаты обеспечивают получение изоляционных покрытий с улучшенными эксплуатационными свойствами, экономию энергоресурсов и эко-логичность применяемых при этом технологий.
-
С целью обеспечения возможности использования одного из разработанных СВЧ агрегатов в условиях трассы и предприятия спроектирована и изготовлена мобильная СВЧ установка, управление которой осуществляется в автоматизированном режиме, контролирующем температуру покрытия на основе поддержания необходимых скорости и продолжительности обработки. Данная мобильная установка внедрена в ОАО «Новокуйбышевский НПЗ» и ООО «Газпром добыча Надым» при проведении работ по переизоляции трубопроводов.
-
В оболочке Vision Basic представлен функциональный алгоритм, который позволяет проводить предварительный расчет и определение рабочих параметров разработанных СВЧ агрегатов с целью оптимизации процесса обработки и предотвращения возможных неточностей и энергетических потерь.
-
Разработанный метод расчета предлагаемых СВЧ агрегатов используется в филиале УГНТУ (г. Стерлитамак) при проведении практических и лабораторных работ в цикле подготовки инженеров и бакалавров по специальности 240801 «Машины и аппараты химических производств» (дисциплины «Машины и аппараты химических производств» и «Оборудование заводов по переработке пластмасс»).
Методология и методы исследования
Методология исследования заключалась в поэтапном изучении проникающей способности СВЧ излучения в полимеры различной природы, влияния различных параметров энергетического потока на структуру полимеров, особенностей формирования физико-механических и эксплуатационных свойств полимеров в ходе проведения данного вида обработки. При этом применяли следующие методы: разработанный при участии автора метод определения глубины проникновения электромагнитного излучения в полимерные материалы; стандартные методы измерения физико-механических свойств полимерных
материалов; метод дифференциальной сканирующей калориметрии; усовершенствованный автором метод атомной силовой микроскопии, позволяющий идентифицировать структуру обработанных СВЧ излучением полимеров; метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Положения, выносимые на защиту
-
Критерии применимости и эффективности использования СВЧ излучения для улучшения структуры и свойств полярных полимеров и получения на этой основе изоляционных покрытий с повышенными эксплуатационными свойствами.
-
Научное обоснование предпринятого в работе подхода к теоретическим и экспериментальным исследованиям механизма воздействия СВЧ излучения на структуру, физико-механические и эксплуатационные свойства полярных полимеров.
3 Доказательство научной корректности и достоверности выдвинутых в
работе представлений об установленном влиянии СВЧ излучения на структуру и
свойства полимерных пленок, а также кинетику их эволюции в течение
воздействия энергетического потока.
4 Обоснование применимости использованных при выполнении
диссертации расчетных методов и программных продуктов к определению
рабочих параметров разработанных СВЧ агрегатов.
5 Научное обоснование правомерности использования математической
модели кинетики нагрева системы «полимерная пленка с клеевой подложкой -
праймер - металл» с целью количественного описания распределения
энергетических потоков в данной системе с учетом эффекта отражения СВЧ
излучения от металлической подложки.
6 Перспективность и экономическая эффективность использования
основных результатов диссертации при создании новых методов и технологий
воздействия на полимерные материалы с использованием СВЧ излучения с целью
улучшения их физико-механических и эксплуатационных свойств.
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность результатов работы обеспечивалась путем применения широко апробированных, а также оригинальных методов и методик экспериментальных исследований, осуществленных на оборудовании, прошедшем государственную поверку. Перед построением графических зависимостей все массивы экспериментальных данных обрабатывались с использованием подходов теории ошибок эксперимента и математической статистики.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на 61...63-ей научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2010-2012); международной конференции «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений» (Казань, 2009); 20-ой международной конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2010); XI-ой международной научной конференции «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела» (Уфа, 2010); всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области синтеза, свойств и переработки высокомолекулярных соединений, а также воздействия физических полей на протекание химических реакций» (Казань, 2010); конкурсе инновационных научных разработок молодых ученых, аспирантов и студентов в рамках распоряжения Президента РФ № 160-рп (Москва, 2010); всероссийской химической конференции «Бутлеровское насле-дие-2011» (Казань, 2011); международной научно-технической конференции «Прикладная синергетика III» (Уфа, 2012), конкурсе «Обеспечение надежной эксплуатации и ремонта объектов газотранспортных сетей» (Москва, 2013).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 38 научных трудах, в том числе в 21 статье в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, 1 монографии; получено 4 патента на изобретения и полезные модели.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников, включающего 196 наименований, содержит 287 страниц машинописного текста, 91 рисунок, 28 таблиц и 8 приложений.
