Стенд 45 Коваленко Е.А.

Егор Коваленко

Московская область, г. Красноармейск
Гимназия №6, 11 класс

МОДИФИКАЦИЯ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Научный руководитель: Бездомников Алексей Александрович, г. Москва, Детский технопарк «Альтаир» (МИРЭА - Российский технологический университет)

Егор Коваленко

Московская область, г. Красноармейск
Гимназия №6, 11 класс

МОДИФИКАЦИЯ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Для многотоннажной прокачки нефти и газа используют трубы. Это удобный и недорогой способ доставки сырья от места добычи до места переработки, а затем и к потребителям. Но у труб есть ряд недостатков. А именно склонность к коррозии, обледенению, биообрастанию и высокие теплопотери. На данный момент технологии позволяют устранять эти недостатки по отдельности. Мы же предлагаем бороться со всеми недостатками сразу, используя супергидрофобные покрытия.

Получение супергидрофобных труб и изучение их эксплуатационных свойств.

Разработать установку для анодирования алюминиевых труб, с целью получения оптимальной шероховатой текстуры.
Разработать метод гидрофобизации труб.
Исследовать характеристики смачивания полученных изделий, их стойкость к коррозии и обледенению и исследовать их свойства.
Изучить теплопроводность труб с супергидрофобным покрытием.

Образцы обрабатывались в двухэлектродной системе – графитовый катод, образец – анод. Стабилизация по постоянному току. Образец трубы располагался вертикально, дно закрыто силиконовой накладкой, внутрь образца заливался электролит – 20-25% водный раствор ортофосфорной кислоты, посередине образца располагался графитовый катод. Сам образец помещался в ванну с проточной водой, таким образом получалась двухконтурная ячейка с нагревом от образца и охлаждением от проточной воды, интенсивность потока позволяла регулировать температуру. Рабочие режимы анодирования варьировались от 30В до 60В, рабочие температуры от 25 до 40 °С. Перед анодированием образцы промывались изопропиловым спиртом в ультразвуковой ванне, затем травились в 10% растворе щелочи, после чего промывались дистиллированной водой и протирались фильтровальной бумагой. После анодирования образцы тщательно промывались проточной водой, затем дистиллированной. Наиболее удачные образцы получились при обработке алюминиевой трубы режимом 60В, в течении 20 минут при 24-31 °С.

Рисунок 1. Изменение тока анодирования и температуры электролита от времени анодирования. Площадь анодирования составляла 24,75 см2.

После анодирования промытые образцы высушивались в печи при 200°С в течение 2 часов, затем обрабатывались в хемосорбционном активаторе под действием ультрафиолета и озона. Данный метод позволяется образовать на поверхности оксидной пленки большое количество вакантных мест для будущей хемосорбции гидрофобизатора с функциональными группами.

Активированные образцы закупоривались силиконовыми накладками с добавлением незначительного количествам фтороксисилана и помещались в печь на 2 часа при 120°С. Согласно литературе, гидрофобизация из паров лучше всего подходит для металлических образцов. После гидрофобизации образцы промывались изопропиловым спиртом, для удаления избытка гидрофобизатора и высушивались в печи при 150°С в течении 2 часов.

Исследование образцов

Характеристики смачивания оценивались методом сидячей капли – фотографировалась капля на поверхности образца, по границе раздела из точки трёхфазного контакта определялся угол смачивания и методом скатывания капли на гониометрической платформе.

Рисунок 2. Углы смачивания и скатывания различных труб с различной поверхностью.

Как можно заметить с повышением напряжения угол смачивания увеличивается, а угол скатывания уменьшается. При добавлении резьбы на поверхность трубы угол смачивания также увеличивается, что связано с появлением более развитой поверхности. Наилучший образец показал контактный угол 163 градуса, а углы скатывания порядка 2,7 градусов. Для изучения теплопроводности мы сравнили скорость нагревания воды внутри трубы через стенку. Температура воды внутри трубы 25° снаружи 100°. В результате лучший образец показал снижение на 10-30% в сравнении с обычной трубой.

Рисунок 3. Изменение температуры внутри воды внутри обычной алюминиевой трубы (красным) и супергидрофобной трубы (синим).

Коррозионная стойкость образцов определялась путём сравнения взаимодействия агрессивных растворов с модифицированными и не модифицированными образцами. Не модифицированные образцы быстро подвергаются питтинговой коррозии, когда модифицированные образцы остаются без повреждений.

Стойкость к обледенению оценивалась исходя из влияния характеристик смачивания на вероятность кристаллизации и по разнице между силой адгезии льда к трубе,. Супергидрофобные образцы имеют лучшие характеристики смачивания, в сравнении с не модифицированными образцами, из-за чего существенно снижается площадь контакта воды с поверхностью – это снижает вероятность кристаллизации.

По итогу работы были получены супергидрофобные элементы алюминиевых труб, демонстрирующие угол смачивания водой более 150° и углами скатывания капель воды ниже 15°, что соответствует определению «супергидрофобность».

Полученные трубы показали повышенную стойкость к коррозии и снижение адгезии льда, что указывает на повышенные антиобледенительные свойства. Помимо этого, гетерогенный режим смачивания, свойственный супергидрофобным материалами показал увеличение теплоизоляционных характеристик труб, что должно снижать теплопотери и вероятность замерзания труб.

Расписание работы автора проекта

02 ноября, пн