автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Энергосберегающие агрегаты для повышения эксплуатационной надежности нефтегазового оборудования путем обработки полимерных покрытий физическими полями

На правах рукописи

АБУТАЛИПОВА ЕЛЕНА МИДХАТОВНА

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ АГРЕГАТЫ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ НЕФТЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПУТЕМ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ ФИЗИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ

Специальность 05.02.13 - «Машины, агрегаты и процессы» (нефтегазовая отрасль)

1 г дек диз

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Уфа-2013

005544002

Работа выполнена на кафедре «Технологические машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Кузеев Искандер Рустемович

Официальные оппоненты: Лаптев Анатолий Борисович

доктор технических наук,

ООО «Раилан-Кеми», главный инженер

Чирков Юрий Александрович

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» / кафедра «Детали машин и прикладная механика», профессор

Лиакумович Александр Григорьевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» / кафедра «Технология синтетического каучука», профессор

Ведущая организация ГУП «Институт проблем транспорта энергоре-

сурсов» Республики Башкортостан (г. Уфа)

Защита состоится 27 декабря 2013 года в Ю30 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Автореферат диссертации разослан « 27 » ноября 2013 года. Ученый секретарь

диссертационного совета Ризванов Риф Гарифович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

2 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.

3 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.

6 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.

7 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.

2 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...89°С, что на 3...7 градусов превышает температуру стеклования (82...83°С) в отсутствие СВЧ обработки, то есть СВЧ излучение способствует расширению температурного диапазона переработки ПВХ, повышая тем самым его термостабильность.

3 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:

1 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.

2 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.

3 Разработаны и внедрены в ОАО «Башкирская содовая компания» (г. Стерлитамак), ООО ПКФ «Полипласт» (г. Ишимбай) и ОАО «Каустик» пять вариантов СВЧ агрегатов для обработки полимерных пленок (патент РФ на полезную модель № 118818), которые охватывают основные режимы подачи и

натяжения полимерной пленки в технологических линиях ее производства. Данные агрегаты обеспечивают получение изоляционных покрытий с улучшенными эксплуатационными свойствами, экономию энергоресурсов и экологичность применяемых при этом технологий.

4 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 ООО «Аргус Пайплайн Сервис-Север» и ООО «Газпром добыча Надым» при проведении работ по переизоляции трубопроводов.

5 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.

6 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

1 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.

2 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 111» (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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе приведен аналитический обзор литературных источников по проблеме разработки изоляционных покрытий на полимерной основе и их применения для защиты внешней катоднозащищенной поверхности нефтегазопроводов.

Суммарная протяженность трубопроводов в РФ в настоящее время составляет более 2 млн. км, при этом практически все типы трубопроводов, включая трубопроводные системы водопроводных и канализационных сетей, защищаются внешней изоляцией. Около 45 % трубопроводов оснащены средствами электро-химзащиты.

Анализ различных источников показывает, что более чем на 70 % трубопроводов изоляционные покрытия не соответствуют требованиям действующих строительных норм и правил, срок их службы значительно меньше нормативного значения, что обуславливает необходимость проведения срочного дорогостоящего капитального ремонта с полной заменой изоляции.

Характерными дефектами полимерных изоляционных покрытий, возникающими в жестких условиях эксплуатации трубопроводов (сложные климатические и географические условия, высокая коррозионная активность грунта, резкие перепады давления и температуры перекачиваемого продукта, значительные осевые растягивающие и сжимающие напряжения и др.), являются отслоения, нарушения сплошности, деградация структуры, заниженная толщина, а также гофры, морщины, задиры, царапины и проколы (рисунок 1), которые появляются также в результате несоблюдения технологии ремонта.

Следует отметить, что примерно раз в десятилетие происходит смена поколений изоляционных покрытий. Например, в последние годы ■ появились пленочные материалы с адгезионным слоем на основе битумных мастик, а также многослойные покрытия. Совершенствуются технологии и оборудование для их нанесения на поверхность трубопроводов.

2 4

1 - отслоения; 2 гофры; 3 - царапины; 4 - задиры Рисунок 1 Виды дефектов изоляционных покрытий

В работах Абдуллина М.И., Беньковского В.Г., Гладких И.Ф., Зиневича A.M. и Стрижевского И.В. описаны способы повышения качества полимерных изоляционных покрытий путем введения в их состав компонентов, обладающих высокой реакционной способностью, а также стабилизаторов и пластификаторов. В частности, такие покрытия имеют улучшенные антикоррозионные свойства. Однако их производство - достаточно сложный и многостадийный процесс, который оказывает негативное влияние на окружающую среду.

Американскими учеными Fawlcy N.C., Schmidt J. и Tipton G. предложен способ армирования покрытий стекловолокном, нити которого переплетены меж-

ду собой и покрыты резиной. Данные покрытия обладают высокой механической прочностью, но их производство весьма затратно.

В связи с этим становится очевидной актуальность создания изоляционных покрытий нового поколения, обладающих более высокими физико-механическими характеристиками, а также инновационных технологий улучшения свойств уже известных покрытий.

На протяжении последних десятилетий продолжается расширение области применения СВЧ технологий в различных сферах производства, причины которого отмечены выше при обосновании актуальности данной работы. Так, Бикбулато-вым И.Х. и Рахманкуловым Д.Л. установлен эффект укрепления грунта в местах прокладки трубопроводов под воздействием электромагнитного излучения СВЧ диапазона. Назаровым И.В. выявлено значительное повышение прочности пенобетона в результате его термообработки СВЧ излучением. Даминевым P.P. и Шу-лаевым Н.С. разработаны СВЧ каталитические реакторы для проведения эндотермических гетерофазных реакций и установлена существенная активация процессов гидрирования, дегидрирования, изомеризации и олигомеризации углеводородов под воздействием СВЧ излучения. В работах Архангельского Ю.С., Девяткина И.И. и Калгановой С.Г. впервые проведены исследования воздействия СВЧ электромагнитного поля на эпоксидный компаунд и установлено значительное повышение его прочностных свойств.

Таким образом, на основании обобщения мирового опыта в области СВЧ обработки различных материалов представляется целесообразным проведение исследования влияния СВЧ излучения на структуру и свойства полимеров с целью оценки возможности его применения для разработки инновационных агрегатов и технологий, позволяющих существенно улучшать эксплуатационные характеристики изоляционных покрытий (прочность и износостойкость, температурный диапазон эксплуатации, адгезионная прочность и др.).

Во второй главе приведено описание известных и оригинальных экспериментальных и расчетных методов исследований, использованных или разработанных при выполнении диссертации.

Для реализации процесса обработки полимерных материалов СВЧ излучением необходимо исследовать закономерности изменения некоторых наиболее значимых параметров, к числу которых относится глубина проникновения излучения в материал. Расчетные методы здесь неприменимы, так как не получены аналитические выражения для описания действительных и мнимых частей диэлектрической и магнитной проницаемости полимеров, а также для их поглощающей способности в зависимости от частоты излучения и температуры в соответствующий период технологического цикла.

При участии автора разработана универсальная лабораторная СВЧ установка, позволяющая не только определять глубину проникновения электромагнитного излучения в полимерные материалы, но и обрабатывать их СВЧ излучением (рисунок 2). Установка включает генератор СВЧ излучения 1 (генерируемая частота колебаний - 2450 МГц), соединительный волновод 2, фланцы со встроенными мембранами 3 и 5, волновод 4, согласующую камеру 6, штуцеры для ввода 7 и вывода 8 воды из камеры 6, термопару 9, вольтметр 10, амперметр 11 и корпус 12.

Рисунок 2 - Схема лабораторной СВЧ установки

Глубину проникновения излучения определяли на полимерах, широко применяемых при производстве изоляционных покрытий.

Метод определения глубины проникновения СВЧ излучения основан на оценке доли энергии, поглощаемой исследуемым образцом в зависимости от высоты облучаемого слоя полимера. Эта доля вычисляется по формуле

где АТд - изменение температуры балластной нагрузки без исследуемого образца, 'С; АТ-,- изменение температуры балластной нагрузки в г'-ом эксперименте с исследуемым образцом, °С.

В ходе экспериментов были определены значения глубины проникновения СВЧ излучения в гранулы полиэтилена, полиэтилентерефталата, полипропилена, кабельного пластиката на основе ПВХ и ПВХ пленку (таблица 1).

Таблица 1 - Глубина проникновения СВЧ излучения в полимерные материалы

Виды полимерных материалов Глубина проникновения, м

Гранулы полиэтилена 0,412

Гранулы полиэтилентерефталата 0,281

Гранулы полипропилена 0,345

Гранулы кабельного пластиката на основе ПВХ 0,195

Гранулы ПВХ 0,191

ПВХ пленка 0,102

Относительная ошибка измерения глубины проникновения СВЧ излучения в полимерные материалы составляла не более 2 %.

Установлено, что материалы на основе ПВХ имеют достаточно высокую поглощающую способность. Отличие значений глубины проникновения СВЧ излучения в гранулы ПВХ и пленку на их основе объясняется тем, что насыпная плотность гранул (750 кг/м3) значительно меньше насыпной плотности пленки (1400 кг/м3).

Влияние диапазона энергии СВЧ излучения и продолжительности обработки на изменение строения, а также физико-механических свойств полимерных материалов на основе ПВХ исследовали с применением той же лабораторной установки (рисунок 2), варьируя уровень излучаемой энергии в пределах от 50 до 400 кДж/кг и продолжительность обработки - от 30 до 300 с. Конформационные изменения структуры полимеров оценивали по результатам исследования значений разрывной нагрузки, водопоглощения и удельного электросопротивления.

Относительная ошибка измерения максимальной разрывной нагрузки, водопоглощения и удельного электросопротивления полимерных материалов составляла не более 1,5, 3 и 2 % соответственно.

Термостабильность полимерных материалов на основе ПВХ в процессе их обработки СВЧ излучением определяли с использованием известного метода «конго красный», который позволяет оценивать склонность материалов к выделению хлорида водорода при высоких температурах. Для подтверждения корректности полученных значений термостабильности полимеров на дифференциальном сканирующем калориметре типа ОБСр 200 (США) регистрировали температуры начала и завершения процесса их стеклования.

Относительная ошибка измерения температуры стеклования не превышала

1,5%.

Оценку влияния воздействия СВЧ излучения на стабильность химического состава полимерных материалов производили, анализируя состояние химических связей в их молекулах на основании сопоставления измеренных методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии кинетических энергий фотоэлектронов. Образцы полимерной пленки подвергались рентгеновскому облучению (спектрометр типа 1ЕОЬ №8-9010 МХ), регистрировались спектры

фотоэлектронной эмиссии, с использованием которых в дальнейшем определялась плотность потока испускаемых элементами полимера электронов в зависимости от их кинетической энергии.

Относительная ошибка измерения кинетической энергии фотоэлектронов составляла 1,5 %.

Влияние энергетического потока СВЧ излучения на эволюцию строения полимерных изоляционных материалов проводили по изображениям их структуры, полученным при помощи зондового сканирующего микроскопа высокого разрешения типа NT-MDT Integra Prima в атомно-силовом режиме с использованием зондов типа NSG 11. Для фиксации особенностей перестроения структуры полимеров после их СВЧ обработки было внесено изменение в методику считывания необходимой информации при проведении атомной силовой микроскопии поверхности, которое позволило визуализировать процесс трансформации структуры.

Для установления влияния энергии СВЧ излучения на адгезионную прочность полимерных изоляционных материалов при участии автора разработана пилотная СВЧ установка открытого типа, позволяющая обрабатывать участки действующих трубопроводов. Оценку эффективности воздействия СВЧ излучения на изменение адгезии изоляционного покрытия на основе ПВХ осуществляли в ходе визуального наблюдения с помощью оптического микроскопа (х 100), а также количественной оценки величины адгезии пленки методом отрыва (ГОСТ 25812-83).

Относительная ошибка измерений усилия отрыва полимерной пленки от поверхности образцов из стали 20 не превышала 3 %.

В третьей главе приведены результаты исследования поглощающей способности полимеров при воздействии на них электромагнитного излучения СВЧ диапазона, особенностей трансформации их структуры в результате СВЧ обработки, влияния изменения структуры полимеров на их физико-механические свойства.

Установлено, что в отличие от полиэтилена, полиэтилентерефталата и по-

липропилена ПВХ обладает высокой поглощающей способностью в отношении СВЧ излучения. Это объясняется тем, что ПВХ является полярным полимером, и его молекулы имеют высокую поляризуемость. Так, дипольный момент молекул ПВХ составляет 4,8 • Ю"30 Кл • м, а у остальных исследованных полимеров его значения находятся в диапазоне (0,8... 1,2) • Ю"30 Кл • м.

Экспериментально показано, что увеличение в два раза разрывной нагрузки у материалов на основе ПВХ (таблица 2) происходит в диапазоне допустимой удельной энергии СВЧ излучения 102,5...205,8 кДж/кг при обработке в течение 1-3 мин. Дальнейшее увеличение мощности излучения приводит к резкому снижению прочностных свойств пленки.

Таблица 2 - Экспериментальные значения максимальной разрывной нагрузки для различных полимерных материалов

Удельная энергия, кДж/кг Максимальная разрывная нагрузка, МПа

ПВХ пленка Полиэтиленовая пленка

без СВЧ обработки 20,70 11,60

51,0 20,71 11,69

75,8 25,48 11,75

102,5 29,60 11,86

126,8 35,30 12,04

154,2 38,19 12,33

205,8 38,35 15,43

258,0 33,82 12,32

360,0 14,12 12,10

Установлено также, что в аналогичных условиях водопоглощение материалов на основе ПВХ уменьшается примерно в три раза, что в практическом смысле является несомненным плюсом. Данный факт свидетельствует об образовании поперечных связей в полимере, приводящих к увеличению

плотности пространственной сетки. Кроме того, дальнейшее исследование термостабильности ПВХ и покрытий на его основе с помощью метода «конго красный» (рисунок 3) показало, что в установленном ранее диапазоне значений удельной теплоты СВЧ излучения время термостабильности ПВХ увеличивается в среднем на 6 мин. Следовательно, повышение механической прочности образцов ПВХ пленки происходит не вследствие ее дегидрохлорирования, а в результате трансформации структуры, инициируемой СВЧ излучением.

Химический состав ПВХ пленки, полученный методом рентгеновской фотоэлектронной спектрометрии, подтвердил, что в процессе ее СВЧ обработки не произошло выделения хлора или хлорида водорода во всем применявшемся диапазоне энергий излучения. Это также подтверждает вывод о повышении прочности ПВХ пленки по причине конформационных изменений структуры полимера. И, наконец, косвенным подтверждением конформационных изменений молекулярной структуры ПВХ пленки является существенный (примерно в 2,7 раза) рост ее удельного электросопротивления (рисунок 3).

104

102

100

ва ♦

т3,5

■ 3

я

-- 2,5

9

-■ 2 О "

? ~

-• 1.5

-• 1

©

-- 0,5 .а

л

-I- 0 В

200

Удельная энергия, кДж/кг

Рисунок 3 - Зависимость времени термостойкости и электросопротивления ПВХ пленки от энергии СВЧ излучения

Подтверждением значительной термостабильности обработанных СВЧ излучением образцов ПВХ пленки является их высокая температура стеклования. На термограммах, полученных с помощью метода дифференциальной сканирующей калориметрии, четко прослеживаются переходы стеклования, характерные для термостойких ПВХ. Следует отметить, что у образцов ПВХС-70 С пик частичного плавления смещен в область более высоких температур. При этом температура их стеклования (85...89°С) (таблица 3) несколько превышает величину, характерную для ПВХ (82...83 °С). Данное явление объясняется уменьшением гибкости цепи макромолекул ПВХ и образованием поперечных связей вследствие высокой поляризационной способности молекул.

Таким образом, значения температур начала и завершения процесса стеклования (таблица 3) подтверждают, что воздействие СВЧ излучения на ПВХ приводит к увеличению степени его кристалличности, в результате чего происходит рост прочности полимерной пленки. При этом не наблюдается сшивки макромолекул полимера, которая происходит при более высокой энергии СВЧ излучения, что препятствует потере пленкой эластичности.

В результате увеличения температуры стеклования ПВХ под воздействием СВЧ излучения повышается теплостойкость полимерных материалов, тем самым значительно увеличивается верхний температурный предел их эксплуатации, что существенно расширяет практическое использование ПВХ при переработке и эксплуатации готовых изделий.

Фактом, подтверждающим уменьшение свободного объема в структуре ПВХ пленки, является также значительное (в 1,7 раза) увеличение ее теплоемкости после обработки СВЧ излучением в диапазоне энергий 102,5...205,8 кДж/кг, что косвенно свидетельствует о произошедшей трансформации структуры полимера.

Изображения структуры ПВХ пленки (рисунок 4), полученные в контактном режиме с помощью атомного силового микроскопа типа NT-MDT Integra Prima, свидетельствуют о ее существенной эволюции в процессе воздействия СВЧ

Таблица 3 - Влияние энергии СВЧ излучения на значения температуры различных стадий стеклования

Излученная Температура Температура Температура

энергия, начала стеклования, С стеклования, °С завершения

кДж/кг стеклования, °С

без СВЧ

обработки 81,73 82,30 85,44

102,5 81,99 85,06 88,81

205,8 83,44 89,28 93,32

258,0 83,23 88,76 92,11

309,0 82,50 84,47 89,93

излучения. У необработанной СВЧ излучением ПВХ пленки преобладает аморфная структура (рисунок 4 а, в). Под воздействием СВЧ излучения в ПВХ изменяется ориентация боковых ответвлений его макромолекул, что способствует росту числа центров кристаллизации, упорядочению структуры и уменьшению областей свободного объема в ней. В результате уменьшается общая площадь аморфных областей структуры в пользу вновь образующейся кристаллической фазы (рисунок 4 б), что сопровождается повышением степени упорядоченности в расположении макромолекул полимера (рисунок 4 г). Молекулы ПВХ начинают перестраиваться в параллельные строчки (рисунок 4 г), что является признаком роста его кристалличности, обеспечивающего улучшение физико-механических свойств ПВХ пленки.

Таким образом, экспериментально доказана принципиальная возможность использования СВЧ излучения для проведения целенаправленного перестроения структуры полярных полимеров, обеспечивающего улучшение их физико-

механических свойств.

Четвертая глава посвящена разработке способа СВЧ воздействия на структуру полимеров, позволяющего получать полимеры требуемого строения с необходимыми в конкретных случаях физико-механическими свойствами, а

1 - аморфная область; 2 - область кристаллизации; а, в - без СВЧ обработки; б, г - после СВЧ обработки (удельная энергия излучения 205,8 кДж/кг) Рисунок 4 - Изображения структуры ПВХ пленки (х 10")

также, на его основе, методики конструирования и расчета агрегатов для СВЧ обработки полимерных материалов.

С учетом установленного ранее диапазона допустимой энергии СВЧ излучения разработан способ размещения и функционирования СВЧ агрегата в технологической линии производства полимерных покрытий.

Суть способа заключается в том, что осуществляется продвижение полимерной композиции между валками каландра 1 (рисунок 5) с ее формованием и калиброванием в зазоре между валками каландра и подогревательным валком, охлаждение в зазоре между протягивающими валками 2, обработка пленки в агрегате 4 СВЧ излучением с удельной мощностью 0,85...4,30 кВт/кг в течение 1...3 мин и ее намотка в узле выгрузки полимерной пленки 3.

Рисунок 5 - Технологическая линия производства полимерной пленки

Начало стадии СВЧ обработки устанавливается температурой, значение которой соответствует температуре начала стеклования полимерного материала. Регулирование мощности СВЧ излучения осуществляется с помощью тиристорного преобразователя в источнике питания или внешнего переменного аттенюатора. Обрабатываемый объект располагается в области с максимальной напряженностью электрического поля электромагнитной волны.

Разработанный способ позволяет обеспечивать формирование необходимой структуры и физико-механических свойств полимерной основы и носит

универсальный характер, так как охватывает практически все широко используемые варианты размещения СВЧ агрегатов в технологических линиях производства полимерных покрытий.

Масса полимерного покрытия, находящегося в области электромагнитного излучения, равна

т = р Ь Ь Ъ, (2)

где р - средняя плотность полимера, кг/м3; I. - длина обрабатываемого участка полимерной пленки, м; Ь - ширина пленки, м; И - толщина пленки, м.

Величина энергетического потока (кДж), необходимого для эффективной перестройки структуры полимера, определяется по формуле

2 = т С„(Т2 - Т,), (3)

где С„ - удельная теплоемкость полимера, Дж/(кг • К); Т2 - температура нагрева полимера, К; Т, - начальная температура обработки полимера, К.

Энергия СВЧ излучения, поглощаемая веществом, должна быть не меньше Q. Если мощность СВЧ генератора обозначить Р (кВт), то

Рт>2, (4)

где т = Ь/у - время нахождения полимера в СВЧ агрегате, мин; V - скорость протяжки ленты транспортера, м/с.

Тогда скорость протяжки ленты в зависимости от заданной мощности СВЧ генератора или производительности С (кг/мин) СВЧ агрегата определяется соотношениями

Нами разработан метод расчета рабочих и конструктивных параметров СВЧ агрегатов.

Для расчета параметров рабочей камеры использовали уравнения Максвелла. Допустимая длина рабочего участка камеры при обработке в режиме бегущей волны равна

где а - коэффициент затухания электромагнитной волны в волноводе, м ДЕ - потери напряженности электрического поля электромагнитной волны, В/м; ЕшЛ - заданная напряженность электрического поля электромагнитной волны, В/м.

Следует отметить, что глубина суммарного проникновения отражений СВЧ излучения должна точно соответствовать толщине всех слоев полимерной пленки. В этом случае балластная нагрузка исключается, и поступающий энергетический поток используется с максимальной эффективностью. Тогда число отражений СВЧ излучения определяется как

N = (8)

к

где 5 - максимальная глубина поглощения, м.

Равномерность СВЧ обработки полимерного материала по объему достигается за счет корректного определения параметров рупоров, которые зависят от площади распределения поля в их раскрытии. При этом высота рупора зависит от угла раскрытия 2\|/, при котором коэффициент направленного действия электромагнитной волны приближается к единице.

При расширении стенок волновода в рупоре образуется цилиндрическая волна с центром в точке К

а - ширина волновода, м; Ь - высота волновода, м; - радиус фронта волны в раскрытии (высота рупора), м; F - вершина рупора; £>; - ширина раскрытия рупора, м; О) - длина раскрытия рупора, м

Рисунок 6 - Расчетная схема рупора

Оптимальные размеры рупора определяются соотношениями

*/> = й и™ *р= й- <9)

где Я - длина волны СВЧ излучения, м.

В случае, когда рупор находится под углом к обрабатываемой поверхности, необходимо, чтобы происходило смещение отраженного сигнала в излучающую систему. Это возможно только в случае, когда площадь сечения отраженного потока в продольном направлении превышает ширину раскрытия рупора.

Высота камеры СВЧ агрегата определяется как

Я = , (Ю)

2 5ша

где а - угол наклона рупора к обрабатываемой пленке.

Длина камеры СВЧ агрегата Ьк определяется соотношением

и = (И)

Л 2 лп а

В случае мобильной СВЧ установки, передвигающейся вдоль трубопровода, скорость ее движения определяется как

„, _ 'тр

^моб = ~ (12)

где 1тр - длина трубопровода, м; т - продолжительность протяжки, с.

Мощность одного СВЧ излучателя при обработке изоляционного покрытия на трубопроводе определяется производительностью мобильной СВЧ установки

р — ш г — л^УД °тр 1 тр ь Рпл /.-.ч И - И/уд Омоб - -—-, (13)

где 1Ууд - удельная энергия СВЧ излучения, кДж/кг; Смо6 - производительность мобильной СВЧ установки, кг/с; А,,,, - диаметр трубопровода, м; Ъ - толщина пленки, м; р„л - плотность пленки, кг/м3.

Разработанные способ размещения излучающей системы в технологической линии производства полимерных материалов и метод расчета рабочих параметров рупоров позволяют конструировать различные варианты СВЧ агрегатов, которые способны обеспечить формирование необходимой структуры и физико-механических свойств полимерных покрытий.

В пятой главе рассмотрены принцип действия и основы разработки четырех агрегатов и мобильной установки для проведения СВЧ обработки, которые обеспечивают получение полимерных покрытий с требуемой структурой и физико-механическими свойствами.

Принцип действия СВЧ агрегатов един и заключается в следующем. СВЧ излучение частотой 2450 МГц создается генератором 3 (рисунок 7) и с помощью излучающего рупора 4 направляется внутрь камеры агрегата, состоящего из загрузочного устройства 1 и резонатора СВЧ излучения 2. Мембрана 5, проницаемая для СВЧ излучения, предохраняет ПВХ пленку от попадания влаги. Для обеспечения полного поглощения энергии СВЧ излучения высота слоя полимерной пленки 11 на транспортерной ленте 8 устанавливается несколько меньше глубины

проникновения излучения в материал. Расстояние от поверхности транспортирующей ленты до излучающего рупора выбирается из условия наиболее эффективного воздействия СВЧ излучения на полимерную пленку на всем протяжении ленты. Необходимо, чтобы поверхность транспортера имела высокую электропроводность, что обеспечивает эффективное отражение не поглощенного в полимере СВЧ излучения, и оно вторично взаимодействует с обрабатываемым материалом.

3

■ 4

■-чх 5 2

1 6. 7 9 10 13 12

и 1 Г оо Ч

^ ; п .о о КУ 1

8 6 11

Рисунок 7 - СВЧ агрегат для улучшения физико-механических свойств полимерных пленок

Для нанесения клеящей композиции, поступающей из каналов 10 на полимерную пленку, и ее равномерного распределения по поверхности в агрегате устанавливается цилиндрический рифленый барабан 9. Поверхность рифления барабана образована кривыми второго порядка. Мощность, потребляемая вальцами, зависит от физико-механических свойств и температуры полимерной пленки, ее толщины и производительности агрегата.

С учетом технологических параметров производства полимерных изоляционных материалов (производительность агрегата, толщина пленки, скорость ее протяжки, площадь производственных помещений и т.д.) разработаны многоходовой СВЧ агрегат (рисунок 8), СВЧ агрегат с рупором, расположенным под уг-

лом к обрабатываемой пленке (рисунок 9), и комбинированный СВЧ агрегат (рисунок 10), работа которых основана на едином принципе.

3

7 8 11

10

Рисунок 8 - Многоходовой СВЧ агрегат для обработки полимерных изоляционных пленок

Рисунок 9 - СВЧ агрегат с рупором, расположенным под углом к обрабатываемой пленке

]

4 5

г

1

Рисунок 10 - Комбинированный СВЧ агрегат

Полимерная лента 9, подвергаемая обработке СВЧ излучением, через загрузочное устройство 1 подается на направляющие керамические ролики 6. На выходе из резонатора на ленту 9 наносится клеящая композиция, которая поступает на цилиндрический рифленый барабан 8 через каналы 7 и распределяется по поверхности ленты гладким цилиндрическим барабаном 11.

Угол наклона рупоров СВЧ агрегатов и количество проходов обрабатываемой пленки рассчитываются таким образом, чтобы суммарный поток энергии СВЧ излучения, поглощаемый пленкой, обеспечивал получение необходимой структуры и физико-механических свойств изоляционного покрытия.

Описанные выше четыре варианта СВЧ агрегатов при их незначительной модификации, учитывающей конкретные особенности производства, могут существенно расширить область применения СВЧ обработки полимерных материалов.

Отличительной особенностью конструкции мобильной СВЧ установки (рисунок 11) является СВЧ камера лучевого типа с неограниченным объёмом, угол раскрытия рупорных излучателей которой рассчитан таким образом, чтобы было обеспечено полное поглощение СВЧ излучения обрабатываемой пленкой.

Рисунок 11 - Мобильная СВЧ установка

Мобильная СВЧ установка предназначена для обработки полимерных покрытий непосредственно на трубопроводе. Она включает цилиндрическую обечайку 5, металлическую ширму 3, раму 4, платформу 6, магнетроны 1 с излучающей мощностью 180 Вт, ходовой механизм, состоящий из двигателя 10, привода, зубчатых и цепной передач, роликов 2, установленных под определенным углом к обечайке для обеспечения поступательного движения вдоль трубопровода, которое осуществляется за счет передачи вращательного момента от зубчатого колеса 7. На нем с помощью болтов 9 крепятся ролики 8. Установка движется с линейной скоростью 0,0083 м/с.

Исследование влияния энергии СВЧ излучения на усилие отрыва ПВХ покрытия от поверхности стали 20 показало (рисунок 12), что данная характеристика адгезии после проведения обработки пленки значительно возрастает. Максимальная величина усилия отрыва 8,86 Н/см соответствует правой границе установленного ранее интервала эффективных значений удельной энергии СВЧ излучения 102,5...205,8 кДж/кг, что является еще одним аргументом в пользу достоверности высказанных выше представлений о механизме воздействия СВЧ излучения на структуру полимерной пленки.

4

О 51 102,5 153,5 205,8 258

Удельная энергия СВЧ излучения, кДж/кг

Рисунок 12 Влияние энергии СВЧ излучения на усилие отрыва ПВХ покрытия

После воздействия СВЧ излучения повышается также адгезия клеевой подложки к поверхности металла трубопровода. Это объясняется тем, что в процессе СВЧ обработки изолированного трубопровода происходит повышение температуры покрытия, и в момент установления адгезионного контакта клеевой подложки с металлом снижается ее вязкость. Тем самым достигается более прочное адгезионное взаимодействие полимерного покрытия с поверхностью трубопровода. Повышение температуры покрытия не только облегчает достижение хорошего адгезионного контакта клеевой подложки с металлом, но и вызывает появление у адгезива функциональных групп, способствующих повышению адгезии.

Таким образом, применение мобильной СВЧ установки для обработки изоляционных полимерных покрытий на действующих трубопроводах способствует не только улучшению физико-механических свойств покрытий, но и повышению их адгезии к металлу поверхности, что приводит к росту эксплуатационной надежности трубопроводов.

В шестой главе приведено описание разработанной математической модели распределения температуры в системе «полимерная пленка с клеевой подлож-

кой - праймер - металл» (далее - система), которая позволяет контролировать градиент температуры по слоям этой системы с целью предотвращения утери полимерной пленкой требуемых физико-механических свойств, приводящей к ее разрушению. Кроме того, изложен принцип действия автоматизированной системы управления мобильной СВЧ установкой, в основу которого положена данная математическая модель, что дает возможность оптимизировать СВЧ обработку изоляционного покрытия по всему периметру трубопровода.

При разработке математической модели учитывали, что при воздействии СВЧ излучения часть его энергии затрачивается на перегруппировку макромолекул полимерной основы. Если время релаксации сдвиговых напряжений в полимере, необходимое для осуществления перегруппировки, меньше периода изменения направления магнитного поля, то молекулы полимера изменяют свой ди-польный момент, в результате чего и происходит перестроение структуры полимера.

Упорядочение структуры полимерной основы, сопровождающееся уменьшением областей свободного объема в ней, приводит к росту теплоемкости полимерного покрытия. Расчет значений теплоемкости и теплопроводности позволяет установить распределение температуры по слоям системы при заданном режиме обработки изоляционного покрытия.

На рисунке 13 приведена схема, на которой обозначены некоторые параметры и расчетные величины в рассматриваемой системе.

Математическую модель кинетики нагрева системы при проведении СВЧ обработки можно представить следующим образом.

Уравнение теплопроводности имеет вид

г)Т

С сИу(Лдгас1Т) + 1ч, (14)

где с - удельная теплоемкость системы, кДж/(кг ■ К); р - плотность системы, кг/м3; Я - коэффициент теплопроводности системы, Вт/(м ■ К); /,, - энергия СВЧ излучения, поглощенная полимерной пленкой, кВт.

Праймер Труба

с клеевой подложкой

И, - внутренний радиус трубы, м; Я2 - внешний радиус трубы, м; - внутренний радиус покрытия, м; К4 - наружный радиус покрытия, м; Тс - температура обрабатываемой системы, К; Тра6- рабочая температура, К

Рисунок 13 - Некоторые параметры и расчетные величины в рассматриваемой системе

При этом поглощенная энергия СВЧ излучения определяется следующим образом

где Р - мощность СВЧ излучения, кВт; V - объем обрабатываемой системы, м3.

Учитывая, что при обработке СВЧ излучением достигается минимальный градиент температуры по всему объему системы

сИр(Л дгас1Т) « /ч,

(16)

уравнение (14) принимает следующий вид

ср% =/,-(« 5 70. (17)

вт /.«з.

где а - удельный коэффициент теплообмена с окружающей средой, (—)/м ;

5 - площадь контакта системы с окружающей средой, м2. Решение уравнения (17) можно представить в виде

I тм = г„ - гс

(18)

т

где Тс - температура обрабатываемой системы, К; Тв - температура окружающей среды, К.

Время нагрева системы можно оценить по известной формуле

С« « 5 Л-. (19)

По истечении этого времени устанавливается рабочая температура

ТраГ)= Тс + (20)

определяемая мощностью СВЧ излучения. Тогда

ТРа6=Тс+-(21)

В формулах (20) и (21) параметры 5 и V определяются соотношениями

Б = 2л Я4Ь, (22)

V = 7ГЦ2(К22 - Д?) + (Д| " «!) + («I " Кз2)} ,

(23)

где I - длина обрабатываемого участка трубопровода, м; Л; - внутренний радиус трубы, м; Я2 - внешний радиус трубы, м; - внутренний радиус покрытия, м; Я4 -наружный радиус покрытия, м.

Плотность системы р (кг/м3), характеризующая усредненную плотность трубной стали, праймера и полимерного покрытия с клеевой подложкой, вычисляется по формулам

Р = у (Р1Р1 + Р2и2 + Рз^з)* (24)

VI = 7г/.(Я?+1 - Я?) 1 = 1,2,3, (25)

где р\ 2,з - плотность материала полимерного покрытия, праймера и трубной стали соответственно, кг/м3; т - общая масса материала трубы, праймера и полимерного покрытия, кг; V, - объем /-го слоя полимерной пленки, праймера и трубы соответственно, кг/м3.

При установившемся режиме обработки трубопровода распределение температуры по слоям системы определяется из уравнения

где г - радиус трубы в цилиндрической системе координат, м.

Решение уравнения (26) для каждого слоя системы принимает вид

'Г(г) =^1пг + с2 й3 < г < й4 ■ Т(г)=^1пг + с4 Я2<г<й3, (27)

Г (г) =^/пг + с6 /?! < г < й2

Л1

где Г(/-) - температура данной системы, К; ÀUi3 - коэффициенты теплопроводности полимерного покрытия, праймера и трубной стали соответственно, Вт/(м • К);

С/,2 - константы интегрирования для слоя полимерной пленки; с3 4 - константы интегрирования для слоя праймера; а.6- константы интегрирования для слоя металла.

Константы интегрирования для каждого из слоев определяются из соответствующих граничных условий.

Уравнения системы (27) имеют граничные условия

Т{г = К4) = Тс, Т{г = Я,) = Траб. (28)

При этом выполняется равенство температур на границах слоев и равенство тепловых потоков в системе. Тогда можно записать

с2+^1п Я4 = Тс с4+^-1пИ3 = с2+т 1пПз . (29)

Л2 Л-3

\с6 + ^-1пЯ2 = с4+^Чпй2 = граб V Лз Л2

Кроме ТОГО,

с,=с3 = с5. (30)

Совместное решение системы уравнений (29) и равенства (30) позволяет определить константы интегрирования ¡= 1,2,4,6

_ Трг6~ТС

С1 ~ 1 , «2 1 , «3

2 ~ С Я! С1 (ПЙ2 ' с4 ~ 'раб ц С1

-6 ^раб

и2

¡пК2

Таким образом, характер изменения температуры в полимерном покрытии, в слое праймера и стенке трубы описывается следующими уравнениями (соответственно)

Г(г) = Тс + ^-Inj- ; R3 < г < R4 ; (32)

Ai К 4

T(r) = Траб + f2lnj- ; Д2 < г < Д3 ; (33)

Г(г) = Тр* + J-2lnT2 ■ R\<r <R2- (34)

Используя разработанную математическую модель кинетики нагрева системы при СВЧ обработке изоляционного покрытия после его нанесения на трубопровод, можно рассчитать рабочие параметры системы и, тем самым, обеспечить улучшение физико-механических свойств покрытия. При этом данная модель позволяет учитывать воздействие на структуру пленки части поступающего энергетического потока, отраженной от поверхности металла трубы, которая может быть определена количественно.

С целью обеспечения эффективного управления и контроля процессом СВЧ обработки полимерного покрытия на основе данной математической модели была разработана автоматизированная система управления мобильной СВЧ установкой. В оболочке SCADA системы Trace Mode подготовлен соответствующий программный комплекс. Программа использует визуализатор сигналов термодатчика без подключения контроллера температуры. В режиме визуализации по заданному алгоритму определяется температура завершения процесса СВЧ обработки полимерного покрытия Ткон. При этом в расчет берутся значения теплоемкости, плотности и толщины пленки, а также мощность излучателя, размеры установки и скорость ее перемещения.

Как известно,

ТКОп Тс + ^ ^, (35)

где Тс - температура системы, °С; - количество теплоты, кДж. Количество теплоты можно также записать

(2 = М1к = —,

где N - мощность излучателя, кВт; / - время обработки СВЧ излучением, с; к - к.п.д. излучателя; / - длина обрабатываемого участка трубопровода, м; у - скорость перемещения установки, м/с.

Масса обрабатываемого покрытия определяется как

Разработанная автоматизированная система управления мобильной СВЧ установкой определяет и задает ее исполнительным элементам продолжительность обработки полимерных материалов, необходимую для обеспечения требуемых температурных режимов.

В качестве примера оценки экономической эффективности разработанных агрегатов приведем расчет затрат для случая использования мобильной СВЧ установки. Большая часть затрат при этом приходится на потребление электроэнергии магнетронами мобильной СВЧ установки, которые генерируют электромагнитное излучение.

В таблице 4 приведены сравнительные данные по затратам на потребление электроэнергии при осуществлении операции нанесения изоляционных покрытий с использованием различных технологий их обработки.

т = п Отрр„1Ь,

(37)

где р„ - плотность покрытия, кг/м3; Д„,, - диаметр трубы, м. Тогда

КОП

(38)

Таблица 4 - Затраты при различных технологиях обработки покрытий

Технология обработки Производительность, м/ч Норма расхода на 1 п. м., кВт Расход электроэнергии, кВт/ч Затраты, руб.

Термоусадка пленки (индукционный нагрев трубы) 60 50 3000 9081,42

Обработка ИК излучением 30 6,1 183 553,94

Обработка СВЧ излучением 30 1,2 36 108,97

Из анализа таблицы следует, что при прочих равных условиях затраты на СВЧ обработку в 5 раз ниже затрат на обработку изолированного трубопровода в инфракрасной (ИК) камере и в 42 раза ниже затрат на термоусадку пленки на нагретую индукционным током поверхность трубы. Если отнести затраты электроэнергии на 1 км трубопровода, то при обработке индукционным током они составляют 151350 руб., при обработке ИК излучением - 18086 руб., а при обработке СВЧ излучением - 3632 руб.

Таким образом, предлагаемая технология СВЧ обработки изоляционных покрытий по энергоэффективности значительно превосходит известные и распространенные аналоги.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1 Анализ литературных источников и научно-технической документации, проведенный на начальном этапе выполнения диссертационной работы, показал, что в мировой науке отсутствуют систематизированные данные о влиянии электромагнитного излучения СВЧ диапазона на структуру и свойства полимеров различной природы. Имеются отдельные фрагментарные сведения о влиянии СВЧ излучения на прочность и теплостойкость эпоксидного компаунда и полиэтилена высокой плотности, а также интенсивность процесса отверждения материалов на

их основе. В то же время существует значительное количество примеров позитивного влияния СВЧ обработки на различные материалы, процессы и реакции (например, термообработка грунтов для их укрепления, повышение прочности пенобетона в строительстве, активация некоторых химических реакций, увеличение селективности катализаторов и т.п.). Обобщение данного опыта позволило выдвинуть теоретические концепции целесообразности и эффективности применения СВЧ излучения для улучшения эксплуатационных характеристик полимеров. Среди них наиболее важной является концепция о возможности использования СВЧ излучения для инициирования перестроения структуры полярных полимеров с целью получения необходимых в конкретном случае свойств.

2 Разработан оригинальный метод определения глубины проникновения СВЧ излучения в полимерные материалы, который является базовым при расчетах основных параметров СВЧ агрегатов, а также разработан экспериментальный метод определения диапазона энергий СВЧ излучения и продолжительности обработки, обеспечивающих перестроение структуры полимеров с целью улучшения их физико-механических свойств. Для фиксации особенностей перестроения структуры полимеров после их СВЧ обработки было внесено изменение в методику считывания необходимой информации при проведении атомной силовой микроскопии поверхности, которое позволило визуализировать процесс трансформации структуры.

3 Для реализации разработанных методик была сконструирована и изготовлена универсальная лабораторная установка, с помощью которой проведен весь комплекс исследований поглощающей способности полимеров при воздействии на них СВЧ излучения и влияния последнего на их строение и свойства. Установлено, что поглощающая способность полярных полимеров существенно выше, чем неполярных вследствие значительного дипольного момента, в результате чего можно добиться более глубокого перестроения структуры полярных полимеров под воздействием СВЧ излучения. В частности, в ходе этого перестроения при удельной энергии излучения в интервале 102,5...205,8 кДж/кг и продолжительности обработки не более трех минут

происходит увеличение прочности изоляционного материала примерно в 2 раза, снижение его водопоглощения в 2,5 раза, увеличение объемного электросопротивления в 3 раза и возрастание температуры стеклования на 3...7 градусов.

4 Разработан способ размещения СВЧ агрегата в технологической линии производства полимерных покрытий, который при различных конструкциях формующих изоляционное покрытие узлов позволяет обеспечивать требуемую структуру и свойства полимерной основы и предотвращать деструкцию полимера путем четкого соблюдения экспериментально установленного допустимого интервала удельной энергии электромагнитного потока и соответствующей продолжительности его поступления. Данный способ носит универсальный характер, так как охватывает практически все широко используемые варианты размещения СВЧ агрегатов в технологических линиях производства полимерных покрытий.

5 Для практической реализации разработанного способа размещения СВЧ агрегата в технологической линии производства полимерных покрытий предложен метод расчета рабочих параметров этих агрегатов, и на основании его использования сконструировано пять вариантов СВЧ агрегатов, дающих возможность изготавливать основные виды изоляционных материалов, находящих широкое применение в нефтегазовой отрасли. Данные варианты СВЧ агрегатов при их незначительной модификации, учитывающей конкретные потребности производства, могут существенно расширить область применения СВЧ обработки полимерных материалов.

6 Разработана математическая модель процесса нагрева системы «полимерная пленка с клеевой подложкой - праймер - металл», которая позволяет в режиме реального времени контролировать температуру различных ее областей с целью оценки вероятности их локального перегрева, приводящего к деструкции и охрупчиванию изоляционного покрытия. Преимуществами данной модели являются параметрический учет природы материалы каждого слоя, а также возможность моделирования многослойных покрытий.

7 Внедрена автоматизированная система управления мобильной СВЧ установкой, которая основана на использовании упомянутой выше математической модели и обеспечивает оптимизацию теплового эффекта по всему объему областей системы «полимерная пленка с клеевой подложкой - праймер - металл» при поглощении СВЧ излучения. Данная автоматизированная система функционирует с высокой точностью контроля рабочих параметров воздействия на изоляционное покрытие и, тем самым, позволяет получать его равномерную адгезию по всему периметру трубопровода. Предложенная автоматизированная система внедрена в ООО «Газпром добыча Надым» при проведении работ по изоляции трубопроводов наружных сетей тепло- и водоснабжения вахтовых жилых комплексов Юбилейного, Ямсовейского и Медвежинского месторождений.

Содержание работы опубликовано в 38 научных трудах, в том числе:

- в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, выпускаемых в РФ, в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ:

1 Абакачева (Абуталипова), Е.М. Способы улучшения качества поверхности вспененных литьевых деталей / Е.М. Абакачева, Е.В. Боев, В.Г. Афанасенко, Т.Д. Ильчинбаев, С.П. Иванов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2008. - № 10. - С. 45-47.

2 Абакачева, Е.М. Исследование коэффициента разбухания полимерных материалов при изготовлении рифленых листов вальцеванием / Е.М. Абакачева, Е.В. Боев, В.Г. Афанасенко, Д.Ф. Сулейманов // Вестник машиностроения,- 2009. - № 3. - С.76-77.

3 Абакачева, Е.М. Исследование защитных антикоррозийных покрытий магистральных трубопроводов бесконтактным методом / Е.М. Абакачева, Е.Ф. Сафронов, К.А. Киреев, Т.Д. Ильчинбаев, Г.М. Ибрагимова, A.M. Акчурина // Башкирский химический журнал. - 2009. -Т. 16, № 4. - С. 167-172.

4 Абакачева, Е.М. Вальцующее устройство для изготовления рифленых листов из полимерных материалов / Е.М. Абакачева, Д.Ф. Сулейманов, Н.С. Шулаев // Промышленное производство и использование эластомеров. - 2009. - № 6. - С. 19-21.

5 Абакачева, Е.М. Вальцевание полимеров с учетом специфических свойств перерабатываемого материала / Е.М. Абакачева, А.Р. Фахразов, Е.В. Попова // История науки и техники. -2010.-№ 12.-С. 94-98.

6 Абакачева, Е.М. Термопластичные композиционные материалы с непрерывными волокнами / Е.М. Абакачева, С.П. Иванов, Е.В. Боев, В.Г. Афанасенко, Т.Д. Ильчинбаев // Пластические массы. — 2010. - № 6. - С. 2-5.

7 Абакачева, Е.М. Применение сверхвысокочастотной электромагнитной установки для модификации полимерных пленок и исследование электрофизических свойств ПВХ в электромагнитном поле СВЧ-диапазона / Е.М. Абакачева, Н.С. Шулаев, К.А. Киреев, А.Р. Фахразов // Башкирский химический журнал. - 2010. - № 5. - С. 79-82.

8 Абакачева, Е.М. Экспериментальные исследования влияния электромагнитных волн сверхвысокочастотного диапазона на адгезионную способность полимерных материалов / Е.М. Абакачева, С.Р. Музафаров, К.А. Киреев // Башкирский химический журнал. - 2011. -Т. 18, №2.-С. 147-150.

9 Абакачева, Е.М. Исследование физико-механических свойств полимерных материалов, модифицированных в электромагнитном поле СВЧ-диапазона / Е.М. Абакачева, Н.С. Шулаев, Д.Ф. Сулейманов // Бутлеровские сообщения. - 2011. - Т. 24, № 1. - С.95-98.

10 Кузеев, И.Р. Влияние электромагнитных волн сверхвысокочастотного диапазона на адгезионную способность полимерных материалов / И.Р. Кузеев, И.Г. Ибрагимов, Е.М. Абакачева, К.А. Киреев // Электронный науч. журнал «Нефтегазовое дело». - 2011. -№6. - С. 452-456.

11 Кузеев, И.Р. Исследование механических свойств полимерных материалов, модифицированных в СВЧ электромагнитном поле / И.Р. Кузеев, И.Г. Ибрагимов, Е.М. Абакачева, К.А. Киреев // Электронный науч. журнал «Нефтегазовое дело». - 2011. - № 6. - С. 390-394.

12 Ибрагимов, И.Г. Улучшение физико-механических свойств изоляционных материалов для трубопроводов при воздействии электромагнитного поля СВЧ диапазона / И.Г. Ибрагимов, Е.М. Абакачева, С.П. Иванов // Башкирский химический журнал. - 2011. - Том 18, № 4. -С. 246-249.

13 Абакачева, Е.М. Влияние магнитного поля на прочность клеевых соединений / Е.М. Абакачева, P.P. Даминев, Ю.К. Дмитриев, A.A. Исламутдинова // Башкирский химический журнал. - 2012. - № 1. - С. 172-175.

14 Абакачева, Е.М. Усовершенствование стадии этерификации производства фталатного пластификатора / Е.М. Абакачева, P.P. Даминев, Ю.К. Дмитриев, A.A. Исламутдинова // Башкирский химический журнал. - 2012. - № 1. - С.178-181.

15 Абакачева, Е.М. Исследование процесса нетеплового модифицирующего СВЧ- воздействия на полимерные материалы / Е.М. Абакачева, P.P. Даминев, Ю.К. Дмитриев, A.A. Исламутдинова // Башкирский химический журнал. - 2012. - № 1. - С. 203-207.

16 Абакачева, Е.М. Мобильная сверхвысокочастотная установка для модификации полимерных материалов / Е.М. Абакачева, И.Г. Ибрагимов, Д.Ф. Сулейманов, А.Р. Фахразов // Нефтегазовое дело. - 2012. - Том 10, № 2. - С. 73-74.

17 Абакачева, Е.М. Исследование термостабильности поливинилхлорида, модифицированного в электромагнитном поле СВЧ- диапазона / Е.М. Абакачева, И.Р. Кузеев, Р.Ф. Нафико-ва, Н.С. Шулаев, Д.Ф. Сулейманов // Нефтегазовое дело. - 2012. -Том 10, № 2. - С. 79-81.

18 Абакачева, Е.М. Исследование разбухания полимерных материалов в условиях воздействия ультразвуковых колебаний в процессе вальцевания / Е.М. Абакачева, Н.С. Шулаев, А.Р. Фахразов //Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". - 2013. - № 3.- С. 291-297.

19 Шулаев, Н.С. Методика расчета установок для нетепловой модификации полимеров в электромагнитном поле сверхвысокочастотного диапазона / Н.С. Шулаев, Е.М. Абакачева, Е.В. Попова, Д.Ф. Сулейманов, A.B. Жулаев // Электронный науч. журнал «Нефтегазовое дело». -2013. - № 3. - С. 471-478.

20 Абакачева, Е.М. Исследование кинетики нагрева при модификации полимерных изоляционных материалов в процессе нанесения на трубопровод / Е.М. Абуталипова, Н.С. Шулаев, И.Р. Кузеев // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело» . - 2013. URL: http: // www.ogbus.ru / authors / Abakacheva / Aba_3.pdf.

21 Абуталипова, Е.М. Улучшение эксплуатационных свойств изоляционных покрытий с использованием сверхвысокочастотного излучения / Е.М. Абуталипова, И.Р. Кузеев, Н.С. Шулаев // Газовая промышленность. — 2013. — № 9. - С. 120-134.

- в зарубежных изданиях:

22 Abakacheva Е.М. The study of the grossing process in the grosses of fluted type / E.M. Abakacheva, A.K. Panov, G.E. Zaikov // Toby Shute Editorial Production, JOURNALS DEPT. JOHN WILEY & SONS, INC., USA, № 23981,2006.

23 Abakacheva E.M. The equipment and methods of improving the quality of foam casting components / E.M. Abakacheva, E.V. Boev, V.G. Afanasenko, T.D. Ilchinbaev, S.P. Ivanov // Chemical and petroleum engineering. - 2008. - Vol. 44, P. 9-10.

- в материалах различных конференций и семинаров:

24 Абакачева, Е.М. Исследование диэлектрических свойств ПВХ в электромагнитном поле СВЧ диапазона / Е.М. Абакачева, Н.С. Шулаев, Д.Ф. Сулейманов, P.M. Маликов // Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений: матер, междунар. конф. - Казань: изд-во КГТУ, 2009. - С. 212.

25 Абакачева, Е.М. Исследование глубины проникновения электромагнитного излучения СВЧ диапазона в полимерные материалы / Е.М. Абакачева, Д.Ф. Сулейманов, P.M. Маликов // 61-ая науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ: матер, конф. - Уфа: изд-во УГНТУ, 2010. - С. 27.

26 Абакачева, Е.М. Электромеханические свойства полимерных материалов модифицированных в электромагнитном поле СВЧ диапазона / Е.М. Абакачева, Н.С. Шулаев, Д.Ф. Сулейманов // Проведение научных исследований в области синтеза, свойств и переработки высокомолекулярных соединений, а также воздействия физических полей на протекание химиче-

ских реакций: матер, всероссийской конф. с элементами научной школы для молодежи. - Казань: изд-во КГТУ, 2010. - С. 15.

27 Абакачева, Е.М. Исследование механических свойств полимерных материалов модифицированных в СВЧ электромагнитном поле / Е.М. Абакачева, Н.С. Шулаев, Д.Ф. Сулейманов II СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: матер. 20-ой междунар. конф. — Севастополь, 2010.-С. 254.

28 Абакачева, Е.М. Применение сверхвысокочастотной электромагнитной установки для модификации полимерных пленок / Е.М. Абакачева, Н.С. Шулаев, А.Р. Фахразов // Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела: матер. XI междунар. науч. конф,- Уфа: гос. изд-во науч.-техн. литературы «Реактив», 2010.-С. 31-33.

29 Абакачева, Е.М. Исследование глубины проникновения электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона в полимерные материалы / Е.М. Абакачева, А.Ю. Горина, А.Р. Гизатуллин, Р.Х. Садыков // 62-ая науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ: матер, конф. - Уфа: изд-во УГНТУ, 2011. - С. 23.

30 Абакачева, Е.М. Метод расчета установок для нетепловой модификации полимеров в сверхвысокочастотном поле / Е.М. Абакачева, A.B. Янтурина, Ю.Ф. Ибрагимова // 63-ая науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ: матер, конф. - Уфа: изд-во УГНТУ, 2012.-С. 20.

31 Абакачева, Е.М. Определение оптимальной удельной энергии излучения магнетрона в зависимости от диаметра трубопровода / Е.М. Абакачева, А.Ю. Горина, Д.Ф. Сулейманов II 63-ая науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ: матер, конф. - Уфа: изд-во УГНТУ,2012.-С. 21.

32 Абакачева, Е.М. Нетепловая модификация поливинилхлорида в электромагнитном поле СВЧ-диапазона / Е.М. Абакачева, А.Ю. Горина, A.B. Янтурина, Ю.Ф. Ибрагимова // 63-ая науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ: матер, конф. - Уфа: изд-во УГНТУ, 2012.-С. 22.

33 Абакачева, Е.М. Исследование термостабильности полимерных материалов модифицированных в электромагнитном поле сверхвысокочастотного диапазона / Е.М. Абакачева, И.Р. Кузеев, Р.Ф. Нафикова, Н.С. Шулаев // Прикладная синергетика - III: матер, междунар. науч.-техн. конф. - Уфа: изд-во УГНТУ, 2012. - С. 162-166.

34 Абакачева, Е.М. Исследование кинетики нагрева при модификации полимерных изоляционных материалов в процессе нанесения на трубопровод / Е.М. Абакачева, И.Р. Кузеев, Н.С. Шулаев // Прикладная синергетика - III: матер, междунар. науч.-техн. конф. - Уфа: изд-во УГНТУ, 2012. — С. 166-171.

ft

- в патентах РФ:

35 Пат. 2250165 Российская Федерация, МПК7 В 29 D 7/01, В 29 В 7/56//В 29 К 27:06. Устройство вальцов для изготовления полимерных рифлёных листов / А.К. Панов, И.Х. Бикбу-латов, Е.М. Абакачева: заявитель и патентообладатель Уфимский государственный нефтяной технический университет. - 2000116815/12 ; заявл. 26.06.2000 ; опубл. 20.04.2005 , Бюл. №11.5 е.: ил.

36 Пат. 92380 Российская Федерация, МПК B29D 7/01. Устройство вальцов для изготовления рифленых листов / Е.М. Абакачева, Д.Ф. Сулейманов, Е.В. Боев, В.Г. Афанасенко, Т.Д. Ильчинбаев, К.А. Киреев : заявитель и патентообладатель Уфимский государственный нефтяной технический университет - 2009137838/22 ; заявл. 12.10.2009 ; опубл. 20.03.2010 , Бюл. № 8.-2 е.: ил.

37 Пат. 118818 Российская Федерация, МПК Н05В 6/04. Сверхвысокочастотная электромагнитная установка для модификации полимерных пленок / Е.М. Абакачева, К.А. Киреев, Д.Ф. Сулейманов, Н.С. Шулаев: заявитель и патентообладатель Е.М. Абакачева, К.А. Киреев, Д.Ф. Сулейманов, Н.С. Шулаев - 2010153687/07; заявл. 27.12.2010 ; опубл. 27.07.2012 , Бюл. № 21. -2 е.: ил.

38 Пат. 2461586 Российская Федерация, МПК C08J3/28. Способ производства полимерной пленки / Е.М. Абакачева, С.П. Иванов, P.M. Маликов, Д.Ф. Сулейманов, Н.С. Шулаев: заявитель и патентообладатель Е.М. Абакачева, С.П. Иванов, P.M. Маликов, Д.Ф. Сулейманов, Н.С. Шулаев- 2010153687/07; заявл. 05.08.2010 ; опубл. 20.09.2012 , Бюл. № 26. - 3 е.: ил.

Подписано в печать 27.09.13. Бумага офсетная. Формат 60x84 1/16. Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 120 экз. Заказ N0 8. Издательство Уфимского государственного нефтяного технического университета Адрес издательства: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1 Адрес типографии: 453118, Республика Башкортостан, г. Стерлитамак, проспект Октября, 2

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Уфимский государственный нефтяной технический университет

На правах рукописи

05*01 тн№

АБУТАЛИПОВА ЕЛЕНА МИДХАТОВНА

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ АГРЕГАТЫ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ НЕФТЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПУТЕМ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ ФИЗИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ

Специальность 05.02.13 - "Машины, агрегаты и процессы"

(нефтегазовая отрасль)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

д.т.н., профессор Кузеев И. Р.

Уфа-2013

Содержание

С.

Основные обозначения Актуальность работы

Глава 1 Проблемы защиты внешней поверхности нефтегазопроводов 20

1.1.1 Методы усовершенствования изоляционных покрытий 21 трубопроводов

1.2 Аналитический обзор физических методов воздействия на 25 полимерные материалы

1.2.1 Воздействие инфракрасного излучения на полимерные 25 материалы

1.2.2 Влияние ультразвуковых колебаний на свойства полимерных 27 материалов

1.3 Область применения СВЧ излучения в промышленности 33 Глава 2 Методология исследования воздействия СВЧ излучения на 41

структуру и свойства полимерных материалов

2.1 Определение комплексных характеристик полимерных 42 материалов

2.1.1 Определение поляризации сред, обрабатываемых СВЧ 42 излучением

2.1.2 Определение глубины проникновения электромагнитного излучения 51 в полимерные материалы

2.1.2.1 Разработка лабораторной установки дня проведения исследований 53

глубины проникновения СВЧ излучения в полимерные материалы 2.1.3.1 Определение взаимосвязи СВЧ излучения с полимерами 56

изоляционными покрытиями 1.1 Состояние системы защиты трубопроводов

20

2.2 Методика проведения экспериментальных исследований 61

механизма воздействия СВЧ излучения на структуру, физические

и технологические свойства полимеров.

2.2.1 Объекты исследования 61

2.2.1.1 Характеристики исследуемых полимерных материалов 63

2.2.1.1.1 Поливинил хлорид 64

2.2.1.2.2 Полиэтилен 73 2.3 Исследование механических свойств полимерных материалов 83

2.3.1 Исследование механической прочности 83

2.3.2 Определение термостабильности полимерных материалов 86

2.3.3 Проведение исследований методом ДСК 90

2.3.4 Исследование химического состояния полимерных материалов 94 обработанных СВЧ излучением методом рентгеновской фотоэлектронной спектрометрии

2.3.5 Исследование влияния энергетического потока СВЧ излучения 95 на эволюцию структуры полимерных изоляционных материалов методом зондовой сканирующей микроскопии

2.3.6 Исследование температуры стеклования методом дифференци- 98

альной сканирующей калориметрией

2.3.7 Исследование водопоглощения 99

2.3.8 Определение удельного объемного электрического сопротивления 99

2.3.9 Определение доли кристаллической фазы полимера 101

2.3.10 Исследование адгезии полимерных покрытий после их 102 обработки СВЧ излучением Глава 3 Научное обоснование влияния СВЧ излучения на структуру и свойства полимерных покрытий

3.1 Поглощающая способность СВЧ излучения полимерными материалами

3.2 Физико-механические свойства поливинилхлоридного НО материала, обработанного СВЧ излучением

3.3 Перестроение структуры ПВХ под воздействием СВЧ излучения 132

3.3.1 Методика считывания структуры ПВХ методом атомно-силовой 132 микроскопии в режиме фазового контраста

3.3.2 Механизм перестроения структуры ПВХ 141

3.4 Химический состав ПВХ пленки, обработанной СВЧ излучением 144

3.5 Методика и результаты исследования твердости полимерного 152 покрытия, обработанного СВЧ излучением

3.6 Влияние энергии СВЧ излучения на адгезию ПВХ пленки 158 Глава 4 Обработка полимерных материалов излучением электромагнит- 164

ного поля СВЧ - диапазона

4.1 Особенности влияния термомеханической предыстории 165 полимера на качество получаемого изделия

4.2 Способ обработки полимерных покрытий в электромагнитном 169 поле СВЧ диапазона

4.2.1 СВЧ обработка полимерных изоляционных покрытий 170

4.3 Метод расчета основных параметров процесса обработки излучением электромагнитного поля и СВЧ устройств для ее 176 осуществления

4.3.1 Расчёт элементов конструкции устройства рупорного излучателя 181

4.3.2 Распределение электромагнитного поля в рупорных антеннах 184 4.3.2.1 Выбор геометрических размеров рупорного излучателя 185

4.3.3 Параметры СВЧ устройств 194 4.4 Программа по расчету параметров СВЧ установки 196

Глава 5 Основы конструирования СВЧ агрегатов и устройств для 202 обработки изоляционных полимерных материалов воздействием электромагнитного поля СВЧ - диапазона 5.1 Выбор камер для СВЧ агрегатов для обработки полимерных 202 материалов

5.1.1 Выбор камер для СВЧ агрегатов для обработки полимерных 207

материалов

5.2 Разработка конструкций СВЧ устройств 210

5.2. 1 Сверхвысокочастотный электромагнитный агрегат для обработки 215

полимерных изоляционных материалов 5.2.2 Комбинированный сверхвысокочастотный электромагнитный 216

агрегат

5.2.2.1 Расчет производительности валков нанесения клеевой основы 220

5.2.3 Разработка конструкции мобильной СВЧ установки 227

5.3 Элементы конструкций линий передачи СВЧ энергии 235

5.3.1 Соединения линий передачи СВЧ 235

5.3.2 Изгибы и скрутки линий передачи СВЧ 236

Глава 6 Математическая модель кинетики нагрева системы «полимерная 238 пленка с клеевой подложкой - праймер - металл»

6.1 Экспериментальные исследования влияния времени воздействия 245 СВЧ излучения на температуру нагрева металла

6.2 Автоматизированная система управления мобильной СВЧ 248 установкой для обработки полимерных материалов

6.3 Экономическая эффективность применения мобильной сверхвы- 252 сокочастотной установки обработки полимерных материалов в процессе нанесения на трубопровод

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 264

Список использованных источников 267

Приложения

Основные обозначения

СВЧ - Сверхвысокочастотный;

- тангенс угла диэлектрических потерь; Э - вектор электрического смещения;

Е - напряженность электрического поля; кэ - диэлектрическая восприимчивость среды; Ри — величина индуцированного дипольного момента; 8о - электрическая постоянная;

8а — действительная часть абсолютной диэлектрической проницаемости среды

8 - относительную диэлектрическую проницаемость; у - удельная проводимость среды; 1)ф - фазовая скорость плоской волны; X - длина волны; р - коэффициент фазы;

а - коэффициент затухания электромагнитной волны; Сщ - амплитуда любой составляющей электромагнитной волны; г расстояние до точки наблюдения из начала сферической си-

стемы координат; © — угловая координата сферической системы координат; со - круговая частота волнового процесса; § - глубина проникновения электромагнитного излучения; Ца - действительная часть абсолютной магнитной проницаемости среды;

о - удельная проводимость среды; 1§§е - тангенс угла диэлектрических потерь;

- тангенс угла магнитных потерь;

е" - мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости вещества;

\1 — мнимая часть относительной магнитнои проницаемости вещества;

Ещах - амплитуда напряженности приложенного поля;

г| - доля поглощенного излучения;

п - концентрация молекул;

Ь - поляризуемость молекулы;

п - концентрация молекул

стр - действительная разрывная нагрузка;

Бр - растягивающая нагрузка в момент разрыва;

Ар - поперечное сечение образца в момент разрыва;

Ьр - ширина образца в момент разрыва;

с!р — толщина образца в момент разрыва;

Р - мощность излучения;

х - время облучения;

ш — масса образца;

Хр — время релаксации;

\¥уд — удельная энергия облучения;

РУд - оптимальная удельная мощность;

хэ - время экспозиции;

в - производительность;

р — плотность материла;

ё - толщина пленки

Ь - ширина пленки

Ц, - диаметр антенны;

Он - угол наклона антенны к модифицируемому материалу;

к - коэффициент параболы;

Нв - высота выступа валка;

Пв - количество выступов валка;

Иб - наружный диаметр барабана валка.

расстояние между ножками приспособления, мм

максимальный прогиб, мм радиус изгиба средней линии образца, мм толщина образца, мм относительная деформация значения амплитуды напряжений, МПа количество циклов

разрушающая нагрузка при работе образцов на изгиб, Н

разрушающая нагрузка при работе образцов на растяжение, Н

линейная деформация подложки (металла), при которой наступало отслаивание покрытия от металла

расстояние от адгезионного слоя до нейтрального слоя, мм

модуль упругости материала подложки, Па

модуль упругости материала покрытия, Па

длина образца между опорами, мм

максимальный радиус изгиба, мм

толщина подложки, мм

толщина покрытия, мм

ширина металл - полимерного образца, мм

показатель адгезии, Н/см2

адгезионная прочность соединения, Н/см

толщина покрытия, см

коэффициент линейного расширения, К"1

длина тела при 0°С, мм

А 1о - изменение длины тела при изменении его температуры на А1

градусов, мм со(х) - потенциальная энергия, Дж

f - коэффициент квазиупругой силы

Е - модуль упругости материала покрытия, Па

р - изменение давления в трубопроводе, Па

О - наружный диаметр трубопровода, мм

8 - толщина стенки трубопровода, мм

Актуальность работы

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 непосред-

и

ственно 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 данной 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 безопас-

ности».

Степень ее разработанности

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.

2 Выбор и разработка расчетных и экспериментальных методов исследований, позволяющих детально изучить влияние СВЧ излучения на строение и свой-

ства полярных полимеров и обеспечивающих при этом высокую достоверность результатов.

3 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.

6 Создание математической модели кинетики нагрева системы «полимерная пленка с клеевой подложкой - прайм ер - металл» с целью получения соответствующего математического аппарата для расчета необходимых рабочих параметров этой системы.

7 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 сохр