Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Изоляционные материалы для трубопроводного транспорта нефти и газа
1.1 Полимерные покрытия 13
1.1.1 Покрытия из полимерных лент 13
1.1.2 Покрытия из экструдированного полиэтилена 17
1.1.3 Покрытия из экструдированного полипропилена 20
1.1.4 Покрытия из порошкообразного полиэтилена 21
1.1.5 Эпоксидные покрытия 22
1.1.6 Полиуретановые покрытия 26
1.2 Мастичные покрытия 28
1.2.1 Грунтовки 29
1.2.2 Битумно-минеральные мастики 30
1.2.3 Битумно-резиновые мастики 31
1.2.4 Битумно-полимерные мастики 32
1.2.5 Армирующий слой 34
1.2.6 Оберточный слой 35
1.2.7 Асмольные материалы 39
1.3 Комбинированные покрытия на основе полимерно-мастичных материалов
Заключение 46
Глава 2. Объекты и методы исследований 48
2.1 Объекты исследований 48
2.2 Реактивы и материалы 49
2.3 Методики проведения экспериментов 49
2.3.1 Определение температуры размягчения мастики 50
2.3.2 Определение пенетрации мастики 50
2.3.3 Определение температуры хрупкости мастики 50
2.3.4 Определение адкезии мастики к металлической поверхности методом сдвига
2.3.5 Определение водопоглощения (водонасыщаемости) мастики
2.3.6 Определение термостабильности асмольной мастики 52
2.3.7 Определение динамической вязкости расплава мастики 52
2.3.8 Исследование взаимодействия асмола с поверхностью стали
2.3.8.1 Образцы для исследования 53
2.3.8.2 Растровая электронная микроскопия 53
2.3.8.3 Определение структурного состава сплава точечным методом
2.3.8.4 Определение толщины покрытия методом абразивного изнашивания
2.3.8.5 Определение объемного рельефа поверхности металла методом атомно-силовой микроскопии
2.3.8.6 Определение параметров кристаллической решетки материала методом EBSD-анализа
2.3.8.7 Определение химического состава материала методом микрорентгеноспектрального анализа
Глава 3. Исследование защитных свойств асмола при контакте с металлом
3.1 Общие представления о коррозии и защитных свойствах асмола
3.2 Исследование взаимодействия амола с поверхностью стали 67
3.3 Исследование границы асмол-металл 80
Заключение 89
Глава 4. Регулирование вязкостно-температурных характеристик асмола на основе комплексного параметра «индекс пенетрации» 102
4.1 Индекс пенетрации асмола 92
4.2 Направленное изменение индекса пенетрации и свойств асмола путем пластификации
4.3 Регулирование индекса пенетрации пластифицированного асмола добавкой термоэластопласта ДСТ
4.4 Вязкостно-температурные свойства расплава асмола 106
4.4.1 Эмпирические уравнения 107
4.4.2 Проверка пригодности уравнения Рамайя К.С. для битумов 109
4.4.3 Использование уравнения Рамайя К.С для асмола 112
4.4.4 Определение энергии активации процесса вязкого течения асмола
Заключение 126
Глава 5. Температурно-временные характеристики асмольных мастик 128
5.1 Краткий обзор литературных данных по термостабильности нефтяных остатков
5.2 Исследование термостабильности асмола 130
5.3 Исследование термостабильности асмольно-полимерной мастики
Заключение 141
Выводы 143
Список литературы 147
- Покрытия из порошкообразного полиэтилена
- Определение динамической вязкости расплава мастики
- Исследование взаимодействия амола с поверхностью стали
- Проверка пригодности уравнения Рамайя К.С. для битумов
Введение к работе
Актуальность темы исследования
В топливно-энергетическом комплексе РФ важное место занимает система магистральных газонефтепроводов, для которой характерна значительная протяженность (более 230 тыс. км). По экспертным оценкам большая часть магистральных трубопроводов выработала плановый ресурс на 60…70 %. Протяженность магистральных газопроводов со сроком эксплуатации более 30 лет к 2015 г. составит около 100 тыс. км. При этом одной из основных проблем, определяющих ресурс и надежность длительно функционирующих трубопроводных систем, является оценка и пролонгирование коррозионной стойкости внешней катоднозащищенной поверхности труб в почвенных электролитах. В настоящее время данная проблема решается с помощью переизоляции труб в условиях трассы. Однако многие применяемые при переизоляции материалы не обеспечивают эффективной защиты металлической поверхности газопроводов. Так, битумные мастики в силу ряда причин продлевают ресурс работы газопроводов лишь на 5…10 лет, что неоправданно мало с учетом затрат на их нанесение. Технология нанесения экструдированных полиолефинов и порошковых эпоксидных покрытий в условиях трассы практически неосуществима.
В свете изложенного заслуживает внимания использование изоляционных материалов на основе нефтеполимера асмол (асфальто-смолистый олигомер, далее - ас-мол), которые были разработаны и стали активно применяться для изоляции и переизоляции газопроводов сравнительно недавно, но уже проявили себя как покрытия, лишенные многих недостатков, которые присущи известным аналогам. Тем не менее, дальнейшее совершенствование технологий противокоррозионной защиты газонефтепроводов с применением покрытий на основе асмола невозможно без проведения углубленных исследований их строения, физико-механических свойств и особенностей взаимодействия с поверхностью трубных сталей, чему ранее не уделялось достаточно внимания.
Таким образом, изучение механизма формирования поверхностных структур на углеродистой стали при нанесении на нее асмола и их дальнейшей трансформации в ходе эксплуатации трубопровода, является актуальной научно-технической задачей, решение которой будет способствовать созданию инновационных методов и техно-
4 логий в области разработки и применения перспективных материалов в нефтегазовой
отрасли.
Степень разработанности темы
К началу работы над диссертацией сведения о защитных и технологических свойствах асмола в зарубежной литературе отсутствовали. В российских периодических научно-технических изданиях, патентах и монографиях имелись лишь результаты исследований по разработке и внедрению в производство асмола в качестве нового противокоррозионного материала. Механизм защитного действия асмола установлен не был. Таким образом, тема настоящего исследования была разработана недостаточно.
Цель и задачи работы
Выявление взаимосвязи между составом нефтеполимера асмол, механизмом его противокоррозионного действия и технологическими свойствами изоляционных покрытий на основе асмольных мастик.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
1 Анализ мировой научно-технической литературы в области разработки и при
менения изоляционных покрытий с целью выявления их преимуществ и недостатков,
а также перспективных направлений дальнейших исследований.
2 Установление особенностей влияния состава асмола на формирование по
верхностных структур на углеродистой стали и научное обоснование механизма его
противокоррозионного действия.
3 Выявление влияния состава асмола и асмольных мастик на их основные тех
нологические свойства.
4 Исследование продолжительного воздействия повышенных температур на
структуру и технологические свойства асмола и асмольных мастик, научное обосно
вание протекающих при этом процессов и разработка рекомендаций по предельно
допустимым значениям температуры прогрева и времени хранения асмола в состоя
нии расплава.
Научная новизна
1 Показано, что асмольная грунтовка при нанесении ее на трубы не только нивелирует негативные функции гидроксидов и оксидов железа в процессе коррозии углеродистой стали, но и способствует формированию на поверхности эффективного
5 защитного слоя, включающего сульфонаты железа. Получено уравнение для расчета
толщины защитного слоя, которое может быть использовано с целью прогнозных
оценок изменения ее величины в ходе эксплуатации действующего трубопровода.
-
Установлено, что защитный слой представляет собой сложную двухуровневую систему типа «сэндвич», образующуюся в результате самоорганизации ряда взаимосвязанных химических и физических процессов и состоящую из внешнего слоя продуктов произошедших химических реакций и внутреннего поверхностного слоя стали с измененной субструктурой и микроструктурой.
-
Показано, что асмол относится к упругим гелям, которые обладают значительно большей эластичностью, чем многие применяемые в настоящее время битумы. Это существенно снижает склонность защитного покрытия к хрупкому разрушению, как при его нанесении, так и в процессе эксплуатации трубопровода. Впервые получено уравнение, описывающее взаимосвязь динамической вязкости асмольных мастик с различной температурой размягчения и температуры их прогрева при нанесении.
4 Выявлено, что в интервале температур прогрева, характерном для зон локаль
ного перегрева асмола в электрических плавильных котлах, его наиболее информа
тивным структурночувствительным параметром является температура размягчения.
Впервые исследована кинетика изменения этого параметра в различных температур
ных интервалах прогрева и научно обоснована ее зависимость от характера транс
формации структуры нефтеполимера.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость работы заключается в корректном научном обосновании установленных экспериментально причин высокой защитной способности изоляционных покрытий на основе асмола и особенностей кинетики изменения его наиболее структурночувствительных параметров под влиянием нагрева на стадиях производства и нанесения асмольных мастик.
Практическая значимость работы заключается в подготовке рекомендаций, которые включены во «Временные технические требования ОАО «Газпром» к наружным защитным покрытиям на основе асмольных материалов для изоляции магистральных газопроводов диаметром до 1420 мм» и в техническую инструкцию ТИ 008-2014 ОАО «Газпром». Основные результаты работы внедрены также в учебный про-
6 цесс ФГБОУ ВПО УГАТУ и используются при подготовке специалистов по направлениям «Защита окружающей среды», «Материаловедение и технология материалов» и специальностям «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», «Материаловедение и технология новых материалов».
Методология и методы исследования
Методология исследования заключалась в поэтапном изучении влияния состава асмола на образование новых структур при его взаимодействии с поверхностью стали 20, роли этих структур в механизме защитного действия асмола и формировании различных свойств изоляционных покрытий на его основе.
При этом применяли следующие методы исследования: микроструктурный анализ стали, растровая электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия, мик-рорентгеноспектральный анализ, EBSD-анализ, определение толщины покрытия с помощью толщиномера на основе абразивного изнашивания, а также некоторые другие известные методы материаловедения и физической химии, регламентируемые соответствующими государственными стандартами.
Положения, выносимые на защиту
1 Обоснование перспективности использования асмола и асмолсодержащих
мастик в качестве противокоррозионных материалов в нефтегазовой отрасли.
-
Установленные особенности механизма защитного действия асмола и асмоль-ных мастик и их научное обоснование.
-
Выявленный характер влияния состава асмола и асмольных мастик на основные технологические свойства изоляционных покрытий и возможные пути его учета при изготовлении и нанесении мастик на трубы.
4 Установленные особенности продолжительного воздействия повышенной
температуры на технологические свойства асмола и асмольных мастик, а также ре
комендации по предельно допустимым значениям температуры прогрева и времени
хранения асмольных мастик в состоянии расплава.
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность результатов работы обеспечивалась путем применения апробированных методов и методик экспериментальных исследований, осуществленных на оборудовании, прошедшем государственную поверку. При построении графических
7 зависимостей экспериментальные данные обрабатывались с использованием методов
теории ошибок эксперимента и математической статистики.
Результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции «XXI Уральская школа материаловедов-термистов» (Магнитогорск, 2012); семинаре «Практика повышения эксплуатационной надежности промысловых трубопроводов» (Уфа, 2012); VIII международной научно-технической конференции «Перспективы применения защитных покрытий в нефтегазовой отрасли» (Москва, 2012); международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья – основа инновационного развития экономики России» (Москва, 2012), семинаре «Актуальные вопросы защиты от коррозии объектов ООО «Газпром трансгаз Югорск» (Югорск, 2014).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 научных трудах, в том числе в 3 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Объем и структура работы
Покрытия из порошкообразного полиэтилена
Порошкообразный полиэтилен наносят на трубы методом напыления в заводских условиях. Технология нанесения покрытия заключается в следующем. Трубы, предназначенные для изоляции, поступают в сушильную печь, где они подвергаются осушке, и затем поступают в трубочистную машину. После очистки поверхность трубы нагревается до температуры порядка 230-250С. Нагретая труба располагается над ванной напыления. В ванной находится порошок в псевдоожиженном состоянии. Частицы полиэтилена в псевдоожиженном состоянии приобретают отрицательный заряд и под действием сил электрического поля и воздушных потоков осаждаются на нагретой положительно заряженной поверхности вращающейся трубы, прилипают к ней, плавятся и образуют непрерывную пленку, которая уплотняется с помощью прикатывающих валиков. Затем изолированная труба охлаждается водой [13].
Фирмой Sawcor (Канада) разработана технология нанесения трехслойного порошкового покрытия HPPE (High Performance Powder Coating) с усовершенствованной системой охлаждения изолированной трубы [14]. Данное покрытие включает в себя эпоксидный наплавляемый праймер, адгезивный слой и внешний слой из наплавляемого порошкового полиолефина. Наплавляемое порошковое покрытие в отличие от экструдированного позволяет избежать пустот и шатрового эффекта в области сварного шва трубы. Также предложена плазменная обработка участка заводского покрытия, прилегающего к зоне монтажного стыка трубы и нанесение связывающего эпоксидного слоя с последующим нанесением жидкого эпоксидного покрытия при монтаже трубопровода в полевых условиях [14, 15].
Воздействие плазмы на поверхность полимера позволяет изменять его смачивание и адгезию. Улучшение адгезионных свойств полимеров под воздействием плазмы связано не только с очисткой поверхности от загрязнений, но и с образованием гидрофильных групп различной химической природы, обеспечивающих высокие адгезионные свойства. Если в качестве рабочего газа плазмы используется кислород или воздух, то на поверхности полимера образуются кислородсодержащие полярные группы [16].
Процессы плазмохимической модификации поверхности полимеров осуществляют с использованием низкотемпературной плазмы с температурой рабочего газа примерно 300К [17].
Активация полиолефиновой поверхности плазмой приводит к повышению поверхностной энергии материала покрытия, и как следствие, ведет к повышению адгезии жидкого эпоксидного покрытия к полиолефиновому покрытию в зоне монтажного стыка трубопровода. После такой обработки адгезия жидкого эпоксидного покрытия к заводскому достигает значения порядка 15 МПа, при регламентированном в ISO 21809-3 значении не менее 3,5 МПа [18, 19].
Требования к защитным эпоксидным покрытиям изложены в ГОСТ Р 51164-98 (конструкция №4) и ГОСТ 9.602-2005 (конструкция №15). Эпоксидные покрытия применяют для защиты труб диаметром до 820 мм включительно с максимальной температурой эксплуатации 80С [5, 6].
Эпоксидные покрытия имеют хорошие защитные и эксплуатационные характеристики. К преимуществам эпоксидных покрытий относятся:
- повышенная теплостойкость (до 80 - 110С); - высокая стойкость к УФ облучению;
- низкая кислородопроницаемость;
- высокая стойкость к катодному отслаиванию;
- высокая адгезия к стали. Защитные свойства эпоксидных покрытий обусловлены низкими показателями диффузии кислорода, которые в 30-40 раз ниже, чем у полиэтилена [9].
Эпоксидные покрытия проницаемы для токов катодной защиты, под ними не было зафиксировано случаев стресс-коррозии. В США, Канаде, Великобритании и в ряде других стран наиболее популярны заводские эпоксидные покрытия труб толщиной 350-400 мкм. Покрытия труб на основе порошковых эпоксидных красок обладают высокой адгезией к стали, стойкостью к катодному отслаиванию, повышенной теплостойкостью. В то же время низкая ударная прочность эпоксидных покрытий, особенно при отрицательных температурах, в значительной степени ограничивает область их применения. По этой причине заводская изоляция труб порошковыми эпоксидными покрытиями, которая впервые была внедрена в нашей стране на Волжском трубном заводе более 20 лет тому назад, так и не нашла достаточно широкого применения, не выдержав конкуренции с заводскими полиэтиленовыми покрытиями труб [12, 20, 21].
Ведущими зарубежными фирмами, специализирующимися в разработке порошковых эпоксидных красок 3М, DUPONT (США), AkzoNobel (Нидерланды), BASF (Германия), JOTUN (Норвегия), были разработаны специальные конструкции двухслойных эпоксидных покрытий труб, обладающие повышенной ударной прочностью в широком интервале температур. Для увеличения ударной прочности эпоксидных покрытий по стандартному тонкопленочному покрытию стали наносить дополнительный ударопрочный защитный слой на основе вспенивающихся или наполненных эпоксидных композиций. При этом толщина первого изоляционного слоя двухслойного покрытия обычно не превышает 250–300 мкм, тогда как толщина наружного ударопрочного слоя составляет 500–750 мкм. При этом общая толщина двухслойного покрытия в среднем равна 750–1000 мкм и обычно не превышает 1200 мкм [22, 23, 24].
Примером двухслойного эпоксидного покрытия является система компании 3М (США), состоящая из первого слоя из наплавляемого покрытия Scotchkote 226N/226N+ толщиной 200 – 400 мкм и наружного покрытия Scotchkote 6352 толщиной 380 – 900 мкм [25].
Производство труб с современным двухслойным эпоксидным покрытием освоено и в нашей стране, в частности на Волжском трубном заводе. Сравнение показателей одно- и двухслойного эпоксидных покрытий приведены в таблице 1.3 [24].
Эпоксидные покрытия, как правило, наносят в заводских условиях. Для их нанесения используются порошковые краски, представляющие собой смесь эпоксидной смолы, отвердителя, ускорителя, пигмента, наполнителя, тиксотропных и поверхностно-активных добавок. Для порошковых красок используют эпоксидные смолы с температурой плавления 95-110С. В качестве отвердителя применяют дициандиамид, гидразин, метилтетрагидрофталевый ангидрид. Наполнителем может служить сульфат бария. В качестве пигментов применяют окислы титана, хрома, железа [1].
Определение динамической вязкости расплава мастики
Сущность метода заключается в определении влияния температуры прогрева мастики и времени выдержки на изменение показателей: температура размягчения по методу кольца и шара, пенетрация, водопоглощение и адгезия.
Определение термостабильности мастик (битума) проводили по следующей методике. Образец мастики массой 0,5 кг помещали в сушильный шкаф при различных температурах (160С, 180 С и 200С) и выдерживали при заданной температуре до 50 часов. Через определенные промежутки времени производили отбор проб для определения показателей мастики.
При определении показателей мастики отбор проб, их подготовку, соблюдение температурных и временных параметров проведения испытаний осуществляли в строгом соответствии с требованиями нормативной документации.
Определение динамической вязкости расплава мастики проводили согласно ГОСТ 1929-87 на ротационном вискозиметре Брукфильда.
Сущность метода состоит в регистрации момента сопротивления вращению внутреннего цилиндра измерительного устройства с испытуемым расплавом при заданной температуре при различных градиентах скорости сдвига и расчете напряжения сдвига и динамической вязкости [59].
Подготовку образцов, соблюдение температурных и временных параметров проведения испытаний осуществляли в строгом соответствии с требованиями ГОСТ 1929.
За значение динамической вязкости мастики принимают среднее арифметическое значение двух параллельных определений. 2.3.8 Исследование взаимодействия асмола с поверхностью стали
В данном разделе приведены основные методики, применяемые для изучения взаимодействия асмола со стальными образцами.
Для исследований были изготовлены плоские образцы из стали 20 по ГОСТ 550-75 размером 100x15x2 мм. Химический состав стали 20 приведен в таблице 2.1.
Образцы помещались в 40% раствор асмола в органическом растворителе (сольвент А 130/150), с целью придания молекулам асмола подвижности для облегчения обменных процессов при взаимодействии с поверхностью стали. Такие же образцы помещались в аналогичный раствор битума строительного БН-90/10.
Также для исследования применялись плоские образцы, вырезанные из стальной трубы диаметром 377 мм по ГОСТ 8732-78, эксплуатировавшейся с защитным покрытием на основе полимерно-асмольной ленты ЛИАМ (ГОСТ Р 52602-2006) в течение пяти лет.
Сущность метода заключается в получении изображения рельефа поверхности металлического образца путем зондирования электронным зондом, представляющим тонко сфокусированный (диаметром до 5-10 нм) пучок электронов. Пучок электронов совершает возвратно-поступательное движение по линии или развертывается в растр – совокупность близко расположенных параллельных линий, вдоль которых пучок электронов обегает выбранный для исследования участок поверхности. Для исследования применялся сканирующий электронный микроскоп Jeol JSM-840 производства Jeol Ltd. (Япония). Основные технические характеристики микроскопа JSM-840 приведены в таблице 2.2. Общая схема растрового электронного микроскопа приведена на рисунке 2.1.
Исследование взаимодействия амола с поверхностью стали
Как показано в разделе 3.1 сульфокислоты асмола могут реагировать как с металлической поверхностью стали, так и с продуктами коррозии, покрывающими поверхность. Для выяснения особенностей протекания указанных процессов изучалось изменение массы образцов стали при ее взаимодействии с 40% раствором асмола (грунтовкой) в углеводородном растворителе (нефрасе).
В первой серии опытов изучалось взаимодействие асмола с пластиной стали, покрытой продуктами коррозии (рис. 3.5). Через 46 суток контакта пластины с грунтовкой внешний вид ее существенно изменился. Ржавая поверхность пластины стала серой (серо-голубой), что свидетельствует о преобразовании продуктов коррозии по ее реакции с сульфокислотами асмола. Характерные изменения цвета пластины приведены на рис. 3.6.
Образовавшийся слой обладает высокой адгезией к поверхности стали. В таблице 3.1 и на рисунке 3.7 приведены данные по привесу пластины от времени выдержки ее в среде асмольной грунтовки.
Из полученных данных следует, что прирост массы пластины во времени вначале линейно увеличивается, затем замедляется и практически полностью прекращается за 30 суток. На основе полученных данных можно однозначно утверждать, что первой стадией взаимодействия асмола со сталью является преобразование продуктов коррозии на ее поверхности с образованием нерастворимых сульфонатов железа.
Во второй серии опытов использовали образцы из стали 20, с поверхности которых продукты коррозии удалялась шлифовкой. Асмольная грунтовка насыщалась водой, растворимость которой в грунтовке выше, чем в углеводородах, благодаря солюбилизации ее сульфогруппами маслорастворимых сульфокислот. Полученные результаты представлены в таблице 3.2 и на рисунке 3.8.
Из полученных данных следует, что присутствие воды в грунтовке приводит к убыли массы стали, т.е. имеет место классический коррозионный процесс в агрессивной среде. Однако этот процесс имеет место только в начальный период времени, затем он замедляется и со временем полностью прекращается. Прекращение коррозии в обводненной грунтовке вероятнее всего происходит по механизму хемосорбционного взаимодействия образующегося сульфоната железа (II) с анодными участками поверхности металла, как это показано на рисунке 3.3.
Полученные результаты хорошо согласуются с представлениями о коррозии в обводненных нефтепродуктах [61, 72], в которых защита металлов от коррозии осуществляется с помощью ингибиторов коррозии. Маслорастворимые ингибиторы коррозии, применяемые для этой цели, способны вытеснять адсорбированную воду с поверхности металлов и образовывать хемосорбционные соединения, не растворимые в углеводородах.
Как показано результатами исследований в системе нефтепродукт + вода + металл [61, 72], продукты коррозии образуются, как правило, вне корродирующей поверхности металла. Они состоят, преимущественно из соединений кристаллического строения с размерами частиц до 5-10 мкм. Таким образом, присутствие воды в асмольной грунтовке не приводит к образованию продуктов коррозии на поверхности металла, они образуются вне корродирующей поверхности [61]. В связи с этим в начальный период времени в среде обводненной грунтовки имеет место убыль массы пластины.
На основании полученных результатов можно однозначно утверждать, что вода (физическая и адсорбированная), всегда присутствующая на металле труб при проведении изоляционных работ, не является препятствием для проведения работ с асмольными покрытиями. В этом отношении асмол существенно отличается от других изоляционных покрытий, для которых вода (и кислород) концентрируются на границе раздела «металл-покрытие» и образует среду, в которой происходят коррозионные электрохимические реакции [76].
Полученные результаты интересно сопоставить с промышленной грунтовкой, применяемой в полевых условиях при изоляции трубопроводов асмольными покрытиями и лабораторным образцом грунтовки, подвергнутой дополнительной осушке от воды цеолитами. Кроме этого использовали битумную грунтовку, в которой асмол был заменен на строительный битум. Полученные результаты приведены в таблице 3.3.
Проверка пригодности уравнения Рамайя К.С. для битумов
Как уже отмечалось, несмотря на широкое применение новых изоляционных материалов на основе асмола для защиты от коррозии подземных газонефтепроводов вязкостно-температурная характеристика асмола, необходимая для выявления условий его производства и применения, изучена к настоящему времени недостаточно. Асмол, в отличие от битума, содержит маслорастворимые сульфокислоты и другие ингибиторы коррозии металлов, которые образуют химическую связь с металлом на поверхности стальных труб, что резко увеличивает его защитные свойства. Наличие поверхностно-активных веществ в составе асмола может влиять на реологическое поведение расплава асмола, в частности на степень аномалии течения и особенности вязкостно-температурных кривых.
Измерение вязкости проводили на вискозиметре Брукфильда в диапазоне температур 110-200 С для трех образцов асмола с температурами размягчения 85, 103 и 105 С. Третий образец асмола отличается от первых двух другим набором технологических добавок.. Полученные данные приведены в таблицах 4.3 – 4.5
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что асмол с температурой размягчения 85 С является ньютоновской жидкостью и не обладает аномалией вязкости. Высокоплавкий асмол с температурой размягчения 105 С, полученный с другим набором технологических добавок, характеризуется аномалией вязкости, так как его вязкость при температурах до 160 С существенно зависит от напряжения и скорости сдвига. При более высоких температурах (170-200 С) зависимость вязкости от напряжения и скорости сдвига выражена слабо. Графически полученные данные представлены на рисунке 4.14.
Зависимость логарифма напряжения сдвига от логарифма скорости сдвига при различных температурах для асмола с температурой размягчения 105 С (в скобках – степень аномалии вязкости)
В координатах lg f от lg W, где f и W – напряжение и скорость сдвига, показателем степени аномалии течения асмола является тангенс угла наклона прямой, который заметно меньше единицы только при температурах 150 и 160 С. Таким образом, по реологическим свойствам асмол ведет себя практически также, как битум, то есть может иметь или не иметь определенную степень аномалии вязкости [81]. Поскольку степень аномалии течения асмола относительно не велика, полученные данные по вязкости асмола при заданной температуре усреднялись независимо от значений напряжения сдвига.
Зависимость логарифма вязкости трех образцов асмола от температуры приведена на рисунке 4.15. Как показано выше, анализ уравнений зависимости вязкости от температуры привел нас к выводу, что достаточно простым эмпирическим уравнением следует признать уравнение отечественного ученого К.С. Рамайя. В координатах sj Ht и 1/Т зависимость вязкости от температуры по К.С. Рамайя должна изображаться прямой линией. На рисунке 4.16 приведена зависимость квадратного корня натурального логарифма динамической вязкости (сПз) образцов асмола от обратного значения абсолютной температуры. Как следует из рисунка 4.16 эта зависимость действительно линейна и может быть описана следующими эмпирическими уравнениями:
Образец №1 _/Ь? = -2,6149 Н-— (4.20)
Образец №2 уїїТ = -3,4775 н- р (4.21)
Образец №3 Щ = -4,4768 Н- (4.22)
Полученные уравнения позволяют вычислить вязкость асмола при любой заданной температуре расплава.
Дальнейший анализ полученных уравнений приводит к заключению, что прямые линии, представленные на рисунке 4.14, пересекаются в одной высокотемпературной точке, соответствующей следующим координатам по температуре и вязкости:
Полученные значения координат соответствуют следующему уравнению: однозначно связывающему константы А и В уравнения (4.18) На рисунке 4.17 представлено соответствие экспериментальных значений А и В с полученными значениями по уравнению (4.23).
