Проекты

Модификация внутренней поверхности металлических труб с целью улучшения эксплуатационных характеристик

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» в секции «Поиск» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Нанотехнология
Авторы работы: МАОУ ДО «ДЮЦ «Радость»
Предметы: Физика, Химия
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» 2020 года

Актуальность

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.

Цель

Получить супергидрофобные трубы и изучить влияние супергидрофобности на эксплуатационные характеристики труб. Так как большая часть крупнотоннажных трубопроводов изготавливается из металлов, в качестве наиболее простого примера, мы использовали алюминиевые трубы.

Задачи

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

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Расходные материалы: алюминиевые трубы из сплава АД0 с габаритами 60х2х60 мм; графитовые электроды; фильтровальная бумага; вата.
  • Реактивы: фтороксисиланы; ортофосфорная кислота 70% ХЧ; гидроксид натрия тв. ХЧ; изопропиловый спирт безводный ХЧ; дистиллированная вода.
  • Посуда: химические стаканы; мерные колбы; мерные цилиндры; чашки Петри; стеклянные палочки; эксикатор.
  • Оборудование: источник тока APS-3605L; технические весы; аналитические весы; термометры; сушильный шкаф; хемосорбционный активатор; цифровая камера для макросъёмки; автоматический дозатор 10-100 мкл.

Описание

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.

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.

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.

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, модифицированной и не модифицированной. 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.

Результаты работы/выводы

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.

Перспективы использования результатов работы

Сама по себе идея создания супергидрофобных труб является новой и в литературе ранее не встречалась, есть перспектива для дальнейшего развития темы.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Детский технопарк «Альтаир» РТУ МИРЭА.

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

Конференция «Наука для жизни» - победитель.

Конференция «Инженеры будущего» - участник очного этапа.

XXIII Российская научная конференция школьников «Открытие» СЕКЦИЯ «ХИМИЯ»- 2 место.