CC BY
9
УДК 678.747+ 678.76+678:67.08:544.478
I.e. НИКУЛИШИН, З.Г. П1Х, ТВ. ЧАЙКШСЬКИЙ, р.т. чайкшська
Нацюнальний ушверситет 'Л^вська полггехшка"
МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ У ДОСЛ1ДЖЕННЯХ АДГЕЗIЙНОÏ МЩНОСТ1 НАФТОБ1ТУМНИХ КОМПОЗИТ1В
Результати дослгджень водостшкостг, електрогзоляцшних i протикорозшних характеристик нафтобтумних мастик, модифжованих продуктами коол^омеризацИ' no6i4Hux npody^ie пiролiзу вуглеводтв, пiдтвердили ефективтсть вказаних матерiалiв та композицш на ïx основi при заxистi магктральних нафтогазопроводiв. В данш роботi розглянуто мехашзм впливу компонентiв нафтополiмерниx смол (коолiгомерниx продуктiв) на комплекс техтко-експлуатацшних властивостей нафтобтумних композицш iз застосуванням методiв математичного моделювання систем. Встановлено, що створен на основi бiтуму iзоляцтного композицИ' за фiзико-мехатчними параметрами, водосттюстю, електроiзоляцiйними i протикорозшними характеристиками вiдповiдають вимогам до iзоляци пiдземниx магктральних трубопроводiв. За результатами повного факторного експерименту побудовано математичну модель до^дження адгезтно'1 мiцностi покриття, що дозволить регулювати 1'х характеристики та прогнозувати властивостi.
Ключовi слова: бтуми, нафтобтумн покриття, нафтополiмернi смоли, адгезiя, математичне моделювання, планування експерименту.
И.Е. НЫКУЛЫШИН, З.Г. ПИХ, Т.В. ЧАЙКИВСКИЙ, Р.Т. ЧАЙКИВСКАЯ
Национальный университет " Львiвська полггехшка "
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ИССЛЕДОВАНИЯХ АДГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ НЕФТЕБИТУМНЫХ КОМПОЗИТОВ
Результаты исследований водостойкости, электроизоляционных и антикоррозионных характеристик нефтебитумных мастик, модифицированных продуктами коолигомеризации побочных продуктов пиролиза углеводородов, подтвердили эффективность указанных материалов и композиций на их основе при защите магистральных нефтегазопроводов. В данной работе рассмотрен мехашзм влияния компонентов нефтеполимерных смол (коолигомерных продуктов) на комплекс технико-эксплуатационных свойств нефтебитумных композиций с применением методов математического моделирования систем. Установлено, что созданные на основе битума изоляционного композиции по физико-механическим параметрам, водостойкости, электроизоляционным и противокоррозионным характеристикам соответствуют требованиям к изоляции подземных магистральных трубопроводов. По результатам полного факторного эксперимента построена математическая модель исследования адгезионной прочности покрытия, что позволит регулировать их характеристики и прогнозировать свойства.
Ключевые слова: битумы, нефтяные битумные покрытия, нефтеполимерные смолы, адгезия, математическое моделирование, планирование эксперимента.
I.YE. NYKULYSHYN, Z.G. PIKH, T.V.CHAJKIVSKIJ, R.T. CHAJKIVSKA
Lviv Polytechnic National University
MATHEMATICAL SIMULATION IN PETROLEUM BITUMEN COMPOSITIONS ADHESIVE
DURABILITY RESEARCH
The research results of water resistance, electrical-insulating and anticorrosive characteristics of petroleum bitumen mastics modified of cooligomerization of hydrocarbon pyrolysis by-products substances, confirmed the effectiveness of these materials and compositions based on them in defense of main oil pipelines. In this paper, the mechanism of influence petroleum polymer resins (cooligomer products) components to the complex technical and performance properties of the petroleum bitumen compositions use of mathematical modeling systems have been regarded. Found that based on bitumen insulation compositions of the physical and mechanical parameters, water resistance, electrical insulation and corrosion characteristics meet the requirements for insulation of underground pipelines have been defined. As a result of full factorial experiment mathematical model research strength adhesive coating that will adjust their
characteristics and predict the properties have been constructed.
Keywords: bitumens, petroleum bitumen coatings, petroleum polymer resins, adhesion, mathematical simulation, planning experiment.
Постановка проблеми
Значне зростання виробництва i споживання 6iTyMiB, а також тдвищення вимог до !х якост настшно вимагають глибшого i всебiчного вивчення складу i властивостей 6iTyMiB, впливу параметрiв технологiчного режиму, шнетики та гiдродинамiки процесiв i природи сировини на цi показники. Вщомо, що на iзоляцiю трубопровода дшть механiчнi деформацп i корозiйноактивнi середовища, як1 приводять до вiдшарyвання i руйнування покриттiв i до тдвищення iнтенсивностi корози [1]. Особливо це проявляеться на трубопроводах великих дiаметрiв. Значна iнтенсифiкацiя корозiйних процесiв на газопроводах спостержалась пiсля компресорних станцш, де температура труб пiдвищyеться до 353363 К. Цi явища пов'язанi з постiйними навантаженнями. Одшею з основних причин руйнування елеменпв констрyкцiй пiд дiею експлyатацiйних навантажень е старшня матерiалiв, що призводить до утворення мiкротрiщин. Щоб запоб^и виникненню вказаних дефектiв використовують змщнюваш покриття, захиснi властивостi яких залежать, основним чином, ввд адгезшно! мщносп [2].
Проте до недолЫв полiмербiтyмних композицiй належить висока вартють останнiх. Знизити li можна за рахунок використання полiмерних модифiкаторiв, одержаних з дешево! сировини за достатньо простою технолопею. Водночас, одними з найдешевших модифiкаторiв е нафтополiмернi смоли (НПС) -продукти каталггачнох коолжомеризацп ненасичених сполук, що мiстяться в побiчних продуктах пiролiзy вуглеводнево! сировини.
Отже, актуальшсть проведених дослiджень щодо створення нових композицiйних матерiалiв на основi попередньо синтезованих коолiгомерних продукпв [3-6] обумовлена необхiднiстю тдвищення довговiчностi гiдроiзоляцil трyбопроводiв та iнших споруд за рахунок застосування надiйного та технолопчного матерiалy, здатного забезпечити !х тривалу експлуатацш.
Аналiз останшх досл1джень i публiкацiй Нафтополiмернi смоли iз фракцп С9 рiдких продyктiв пiролiзy чисельно використовуються як модифiкатори бiтyмiв [7-9], з отриманням бiтyмно-полiмерних в'яжучих iз покращеними теплостiйкiстю та пружно-деформацшними властивостями. Значне зростання виробництва i використання бiтyмiв, а також тдвищення вимог до !х якостi настiйно вимагають глибшого i всебiчного вивчення складу i властивостей бiтyмiв, впливу параметрiв технологiчного режиму, к1нетики та пдродинашки процесiв i природи сировини на щ показники.
Як показано в пращ [1], недолжами нафтових бiтyмiв, що широко застосовуються в Укршт для виробництва iзоляцil мапстральних нафто-, газопроводiв, водогонiв та розпод№них мереж, е: недостатнi мiцнiсть, захисна здаттсть, тепло-, атмосферо- та бюстшшсть; пiдвищена температура експлуатацп, що усуваються введенням мiнеральних i полiмерних наповнювачiв, пластифiкаторiв i спецiальних домiшок [7,8]. У пращ [8] зазначено, що у крашах Свропи обсяг застосування модифшованих полiмерами матерiалiв сягае понад 10 % ввд загально! кшькосп використовуваних бiтyмiв. При одержаннi полiмербiтyмних композицiй необх1дно попередньо зруйнувати просторовi зв'язки, присyтнi у бiтyмах та полiмерах, i створити новi. З щею метою використовують настyпнi методи: перемiшyвання компонентiв при пiдвищенiй температур^ за яко! бiтyм i полiмер знаходиться у розплавленому станi; розчинення компонентiв у спiльномy розчиннику з подальшою дистиляцiею останнього, що потребуе значних енергетичних затрат i суттево вiдображаеться на технiко-економiчних показниках бггумного виробництва [7-9]. Тому проблема модифшацп бiтyмiв, захисних покрить з метою покращення властивостей композицшних матерiалiв на основi бiтyмiв е актуальною.
Формулювання мети дослiдження Науковим i практичним завданням досл1дження е оцiнення впливу технолопчних характеристик на як1сть захисних нафтобиумних композицiй. Ефективне вирiшення вказаного завдання можливе на основi використання математичних моделей, як1 отримують при реалiзацil повного факторного експериментального дослщження адгезiйноl мiцностi покриттiв пiд дiею фiзико-механiчних чинник1в.
Викладення основного матерiалу дослiдження Композитнi покриття формували на основi бiтyмy iзоляцiйного БНИ-1У-3 (табл.1). Модифжацш композицiй здiйснювали у металiчномy реакторi з перемiшyючим пристроем емнютю 0,3-1,5 л (залежно в1д завантаження вих1дних компонентiв). Реактор помiщали в термостатовану баню з термостабiльним ноаем. Наважку iзоляцiйного бiтyмy розплавляли при температyрi 373-393 К, перемiшyвали впродовж 10-15 хв i вводили модиф^ючий компонент (НПС). Гомогенiзацiя реакцiйноl сyмiшi в1дбувалася при постiйномy перемiшyваннi i температyрi 393-443 К впродовж 1,5-2,0 год. Готову композицш охолоджували до шмнатно! температури. По завершеннi модифжацп визначали температуру
розм'якшення композицш, !хне водопоглинання та стшшсть до агресивних середовищ, пенетрацш [10] та дуктильнють [11].
Таблиця 1
Фiзико-хiмiчнi характеристики бiтуму iзоляцiйного БИИ-ГУ-3
Показники Нормативне значення
1. Температура розм'якшення, °С 65-75
2. Глибина проникнення голки, 0,1 мм, при 25 °С при 0 °С, не менше 30-50 15
3. Температура спалаху, °С, не нижче 250
4. Дуктильнють при 25 °С, см, не менше 4
5. Змша маси тсля про^вання, %, не бшьше 0,5
6. Масова частка парафiну, %, не бiльше 4
7. Водонасичення за 24 год., %, не б№ше 0,10
Склад отриманих композицiй ввдображено у табл. 2. Для порiвняння проведено дослвдження нафтобiтумних композицiй без додавання НПС. Модифiкуючим додатком е коолжомерна темна нафтополiмерна смола (КТНПС), одержана каталтгичною коолiгомеризацiею сумiшi компонентiв важко! смоли пiролiзу iз реакцiйноздатними ненасиченими вуглеводнями фракци С9 [5] з виходом 49,5 % мас. i показниками: бромне число - 56,6 гВг2100г; молекулярна маса - 790; температура розм'якшення - 388К. Модифшатор вводили у шлькосп 2-10 % мас. Встановлено, що введення КТНПС до складу композици сприяе зростанню дуктильностi нафтобiтумних матерiалiв вiд 6,15 до 9,6 см i пенетраци (вiд 25 до 32 (0,1мм), вщповщно). Максимальна пенетрацiя характерна для композицш IV та V (табл.2).
При модифшацп биуму нафтового iзоляцiйного БНИ-IV-3 коолiгомерними темними НПС ввдзначено збiльшення температури розм'якшення композицiй (вщ 344 К до 353 К) за незначного зменшення величини бромного числа (ввд 32,6 до 26,48 гВг2100г), що е пiдтвердженням структурування нафтобггумно! композици.
Таблиця 2
Характеристики нафтобiтумних композицш на основi бiтуму нафтового iзоляцiйного,
модифiкованого коолiгомерними ТИПС
Характеристики Вмiст НПС у нафтобиумнш композицi!, % мас.
0 2 4 6 8 10
Композицiя I II III IV V VI
Дуктильшсть, см 6,15 6,25 7,85 8,1 9,6 9,1
Пенетращя, 0.1, мм 25,0 30,1 30,3 32,0 32,0 29,0
Температура розм'якшення, К 344 341 342 348 351 353
Бромне число, гВг2/100г 41,8 32,6 32,3 31,7 30,4 26,5
Вмiст гель-фракци, в, % мас. 50,8 71,6 78,6 86,0 93,7 97,5
Вiдома схема протикорозшного захисту [2] показуе, що шпбоваш нафтобiтумнi праймери i мастиковi покриття формують на поверхнi очищено! стат адсорбцiйний шар з поверхнево-активних речовин та рiзнопланових iнгiбiторiв корозп (екранувального, донорного та акцепторного типу). Враховуючи недостатш водостiйкiсть та iзолювальнi властивостi немодифiкованих нафтобiтумiв, тривала працездатнють покриттiв на !х основi суттево залежить вiд наявностi на поверхш сталi адсорбцiйних шарiв iнгiбiторiв, !х природи i структури, а також спорщненосп з нафтобiтумною основою праймера i мастики. Висок1 захиснi параметри модифiкованих полiмерами покривiв магiстральних газонафтопроводiв i металоконструкцiй обумовлено формуванням структури iзоляцi! високомолекулярних гвдрофобних ароматичних вуглеводшв з конденсованими ядрами [1]. До них належать нафталш, антрацен, фенантрен та !х похiднi, присутнi у коолиомеризацшнш сировинi для синтезу модифшуючих додатк1в - важк1й смолi пiролiзу. Очевидно, протикорозiйний захист поверхнi сталей системою покриття "нафтобиумна матриця - нафтополiмернi смоли" здiйснюеться за аналопчною схемою.
Водостiйкiсть та водопроникнення захисних покритпв пвдземних трубопроводiв в процеа експлуатацi! визначають термiн !х стшкосп. Визначення водонасичення покриттiв визначали за змшою маси полiмерних плiвок тсля !х витримування впродовж певного часу в дистильованш водi, що дозволяе встановити порiвняльну стiйкiсть рiзних композицш в даному середовищi чи окремо! композицi! в рiзних
середовищах [12]. Експериментальш дослщження водопоглинання нафтобиумних композицш (0-ГУ) поданi на рис. 1. Рецептури модифжованих нафтобiтумних композицш: I - на основi НПС, одержано! гомогенно-каталгшчною коолiгомеризацieю вуглеводнiв фракци С9; II - на основi темно! НПС, синтезовано! коолiгомеризацieю компоненпв важко! смоли пiролiзу; III - на основi КТНПС; IV-алiфатично-терпеново! НПС, отримано! коолiгомеризацieю терпенiв скипидару та алiфатичних вуглеводнiв фракцi!' С5). Вмiст модифiкатора у композицiях ЫУ - 10 % мас.
Рис. 1. Водопоглинання нафтобггумних композицш у дистильованш водi (0 - без модифшатора;
I - на основi НПС, одержано!" гомогенно-каталiтичною коол^омеризащею вуглеводшв фракцИ С9;
II - на основi ТНПС; III - КТНПС; IV- алiфатично-терменовоl НПС)
Значення ввдносно! змiни маси зразк1в впродовж 720 год експерименту були найстабшьшшими для композици I. Впродовж перших 40 годин витримування рiст маси зразшв проходить через максимум, надалi коливання змiни маси зменшувалось i стабшзувалось, досягнувши за 150 год значення +0,25 % мас. Вщтак величина набухання для композици I практично не змiнювалась за подальших 570 годин витримування у дистильованш вод^ Вщносна стабiлiзацiя вказаного параметра для чистого БНИ- !У-3 вiдбулась через 300 годин витримування i становила +0,5 % мас. До завершення експерименту (720 годин витримування) водопоглинання композици 0 (нафтобпумна композищя немодифжована) зросло ще на 0,2 % мас. Одержат результати щодо шнетики водопоглинання нафтобiтумною композицieю II сввдчать про !! найменшу стабiльнiсть. Дана композищя характеризуеться максимальним, посеред дослвджуваних зразк1в, водопоглинанням (+1,40 % мас.). Найменше водопоглинання (+0,15 % мас.) та найкращий показник стiйкостi характерний для композицi!' III (нафтобiтум БНИЛУ-З, модифiкований коол1гомерною темною нафтополiмерною смолою). Проте, впродовж перших 250 годин витримування для даного зразка спостерталась втрата маси ввд (-0,25 % мас.) до (-0,10 % мас.).
В процеа експлуатаци пiдземних газонафтопроводiв в iзоляцiйних покривах виникають рiзноманiтнi статичнi, а пiсля газокомпресорних чи нафтоперекачувальних станцiй - циклiчнi мехашчш напруження. Вибiр науково-обгрунтованого пiдходу до вибору виду гiдроiзоляцiйного матерiалу з врахуванням особливостей конструкцiй, що шдлягають iзоляцi!, технологiчностi !х облаштування та умов експлуатаци, в багатьох випадках, попереджае передчасну вiдмову гiдроiзоляцi!, вартють ввдновлення яко! складае до 10% загальних затрат. З метою щдвищення адгезi! iзоляцiйного покриття розробленi рецептури модифшованих нафтопол1мерними смолами бiтумних iзоляцiйних композитiв. Одним з основних критерив вибору модифiкованих композицiй для дослщження було покращення фiзико-механiчних i фiзико-хiмiчних показник1в (розтягу, пенетрацi!, адгезi!, температури розм'якшення тощо).
У табл.3 вщображеш загальнi фiзико-хiмiчнi показники досл1джуваних композицш (температура розм'якшення, дуктильнють, пенетращя). Загалом усi дослiдженi модифiкатори добре сумщаються з матрицею. Як показали результати дослвдження фiзико-хiмiчних показник1в нафтобiтумних покритпв (табл. 3), температура розм'якшення уах модифiкованих нафтополiмерними смолами композицiй зростала: до величини 349 К (композици I, III); 344 К i 345 К (композици II та IV, вцщовцщо), порiвняно з температурою розм'якшення 338 К базового бпуму (композищя 0). Показник глибини проникнення голки (пенетрацi!) для модифiкованих композицш е ютотно нижчим, порiвняно з бпумом iзоляцiйним БНИ-IУ-3.
-1
Час, год
Найменшою величиною пенетраци (21 мм) характеризуетъся зразок III, у якому як модиф^ючий додаток використана смола, синтезована коолломеризащею вуглеводшв фракцп С9 РПП та важко! смоли пiролiзу. Аналопчний до величини пенетрацй' немодифiкованого бпуму показник (35 мм) характеризуе композицш IV. Встановлено, що величина вщхилення значенъ ввд показника глибини проникнення голки для базового бпуму нафтового iзоляцiйного БНИ-1У-3 складала вiд (-12) до (- 13) одиницъ.
Таблиця 3
Фiзико-хiмiчм показники нафтобiтумних композицш_
№ композицп Модифжатор Характеристика нафтобиумних композицiй
Температура розм'якшення, K Дуктилъшстъ, см Пенетращя, 0,1 мм
0 Без модифжатора 338 4,0 35
I (С9) НПС 349 8,2 23
II ТНПС 344 6,2 22
III КТНПС 349 8,8 21
IV (С9:ТП) НПС 345 7,0 35
Для синтезованих нафтобiтумних композицш I - IV спостерталось сутгеве зростання значень дуктильностi (табл. 3). Це, очевидно, пов'язано з покращенням !х пластифiкуючих властивостей. У випадку композицп III величина розтягу зростае у 2,2 рази - до 8,8 см. 1стотне зростання дуктильносп характерне також для композицп I (8,2 см, у порiвняннi до величини розтягу базового бпуму - 4,0 см, ввдповщно). Серiя експерименпв пiдтвердила, що модифiкованi коолiгомерними продуктами -нафтополiмерними смолами - дослщжуваш зразки нафтобiтумних композицiй, порiвняно з базовим бпумом iзоляцiйним БНИ-1У-3, забезпечували значно вищу адгезiю покриття до загрунтованих сталевих поверхонь.
Мiцнiсть адгезiйного з'еднання (адгезш до загрунтовано! сталi) визначено, як вказано на рис. 2, та розраховано ввдповщно до [13]. При цьому використано розривну машину РР2-10/1 (рис.4).
Лдгезiйну мiцнiсть склеювання полiмерних стрiчок (саис) до металево! поверхн1 пластини з нанесеним шаром нафтобиумного композиту (адгезiю стрiчки до мастики), визначено за методом вадшарування (ДСТУ 3999-2000) [14], (рис.3).
Адгезшна мщшсть клейового з'еднання (саш1) при зсувi металевих пластин, вкритих шаром нафтобиумного композиту (адгез1я нафтобiтумного композиту до загрунтованого металу), визначена вадповщно до (ГОСТ 14759) [15].
Рис. 3. Визначення адгезп полiмерних crpi40K до
сталi з нанесеним шаром нафтобггумного Рис. 4. Розривна машина FPZ-10/1
композиту
Отримаш експериментальш результата наведеш в табл. 4, 5. Встановлено зростання величини адгези для зразка III, одержаного методом модифшаци iзоляцiйного нафтового биуму БНИ-1У-3 коолiгомерною ТНПС, одержаною гомогенно-каталпичною коолiгомеризацieю сумiшi вуглеводнiв фракцй' С9 та важко! смоли пiролiзу, у 2,2 рази. Для композици II зростання величини мщносп адгезiйного з'еднання становить 2,04 рази (показник адгези зразка № II до загрунтовано! стат сагр = 2,43 Н /мм2; для зразка № III сагр = 2,61 Н /мм2; у порiвняннi до биуму немодифшованого -композицiя (0) - сагр = 1,19 Н /мм2). Порiвняно з бiтумом нафтовим iзоляцiйним БНИ-1У-3, адгезiя полiмерних стрiчок до металево! поверхнi пластини з нанесеним шаром нафтобиумно! композицй' для зразка I зросла у 2,7 рази; II - 1,8 разiв; III - 1,5 разiв; IV - 2,3 рази.
Таблиця 4
Адгезiя по. щцшиих иафтобггумиих коммозицш_
№ п/п Адгезiя нафтобиумних композицiй до сталi Адгезiя полiмерних стрiчок до стат з нанесеним шаром нафтобиумного композиту
Навантаження, Значення адгези, сагр, Навантаження, Значення адгези,
F, Н Н /мм2 F, Н Сапс, Н/ мм
0 540 1,19 20 0,87
I 920 2,03 54 2,34
II 1100 2,43 36 1,56
III 1180 2,61 30 1,30
IV 940 2,08 46 2,00
Таблиця 5
Адгезiя клейового з'едиаиия ояял мри 3cyBi сталевих пластин_
№ п/п Навантаження, F, Н Значення адгези, сапл, МПа
0 900 0,65
I 940 0,68
II 960 0,70
III 170 0,09
IV 1050 0,76
V 370 0,27
Для композици III адгезшна мщшсть клейового з'еднання при зсувi металевих пластин, порiвняно з бiтумом нафтовим iзоляцiйним БНИ-1У-3, зросла у 1,5 рази; для композици IV - 1,2 рази; для композици V - зменшилася у 0,4 рази. На рис. 5 наведено залежносп величин адгези нафтобиумних композицш (0-IV) до загрунтовано! сталi вiд природи модифiкатора. Вiдтак, показано, що сагр - адгезiя нафтобiтумно! композицй' III до металу зростае на 54,4 % мас.; Сапс - aдгезiя склеювання полiмерних стрiчок до загрунтовано! сталi (з нанесеним шаром нафтобиумно! композицй) - на 44,4 % мас. Величина показника сапл - адгези склеювання металевих пластин з нанесеним шаром мастики - у випадку композици III збшьшуеться на 52,3 % мас. (рис. 6).
1з зазначеного можна зробити висновок про те, що дослщження нових процеав у х1ми та хiмiчнiй технологи пов'язано iз проведенням складних та дорогих експериментiв. Тому е очевидним значення методiв оптимального планування експерименту, як1 дозволяють у багатьох випадках суттево скоротити витрати часу та матерiальних засобiв на виконання дослвдницьких робiт.
Методи оптимального планування експерименту дозволяють використовувати математичний апарат не тiльки на стади обробки результатiв вимiрювань, як було рашше, а також i при шдготуванш та проведенн1 експериментiв. Дiяльнiсть дослвднишв, яш користуються такими методам, стае бшьш логiчно впорядкованою.
Пд математичним описом процесу слiд розумiти систему рiвнянь, як1 зв'язують функци ввдгуку iз факторами впливу. У найпростiшому випадку це може бути лише одне рiвняння. Часто математичний опис називають математичною моделлю. За допомогою математичних методiв оптимального планування експерименту можна отримати математичну модель процесу навиъ за вiдсутностi вiдомостей про його мехашзм. Цiннiсть математичного опису полягае в тому, що вш:
1) дае шформацш про вплив фага^в;
2) дозволяе к1льк1сно визначити значення функцш ввдгуку при заданому режимi ведення процесу;
3) може слугувати основою для оптимiзацi!.
Рис. 5. Залежносп величин адгези модифжованих НПС нафтобггумних коммозицш
вщ природи модификатора (I - на основi НПС, одержано!" гомогенно-каталiтичною коол^омеризащею вуглеводнiв фракщУ С9; II - на основi ТНПС; III - КТНПС; IV- алiфатично-терменовоT НПС)
Рис. 6. Залежносп зростання величин адгезп модифiкованих НПС нафтобiтумних коммозицш,
% мас
Математичш моделi, що отримують за допомогою методiв планування експерименту, прийнято називати експериментально-статистичними. Багатофакторне дослщження адгезшноi мiцностi захисних покриттiв залежно вiд 1х складу проводили за планом повного факторного експерименту. Ми скористались лшшною моделлю для трьох факторiв [2]. Ввдтак, загальний вигляд рiвняння буде наступний:
У= Ьо + Ъ X! + Ъ Х2 + Ьз Хз (1)
де Ъ - коефiцieнти ряду Тейлора першого порядку;
Х1 - вмют модифiкатора (коолiгомерноi темно! нафтополiмерноi смол КТНПС) у нафтобiтумнiй композицп, % мас.;
Х2 - температура розм'якшення нафтобггумно! композицп, К; Х3 - дуктильнiсть нафтобiтумноi композицii, см;
За функцш вiдгуку (У) обрано величину адгезii нафтобггумно! композицii до стат, Н/мм2. Метод повного факторного експерименту служить для отримання математичного опису процесу у виглядi вiдрiзку ряду Тейлора (1). При цьому, зазвичай, обмежуються лiнiйною частиною розкладу i членами, що мiстять добуток факторiв в першому ступенi. Але ми укоротили ряд, не включивши члени з добутком. Таким чином вдаеться знайти рiвняння локальноi дмнки поверхнi вiдгуку, якщо и кривизна
не надто велика. Слд вщзначити, що коефщенти рiвняння визначаються на основi експериментальних даних i, як наслвдок, несуть у собi ввдбиток похибки експерименту.
В табл. 5 наведено умови проведения дослщв трифакторного експерименту та 1х результати.
Скориставшись матричним методом вирiшения системи рiвиянь:
В=(ХТ*Х)-1*Х^, (2)
ми отримали вектор-стовпчик коефщеипв Ь рiвияния (1):
Ъо = -17,5314;
Ъ = 0,185098;
Ъ2 = 0,060588;
Ъ3 = -0,31373.
Аналiзуючи величину i знак отриманих коефiцieнтiв (вплив факторiв Х1 на функцш ввдгуку У), можна зробити висновок про те, що збшьшения вмюту модифiкатора (КТНПС) чи тдвищення температури розм'якшения позитивно впливае на адгезш нафтобггумно! композицп, а рют дуктильностi композицп мае негативний вплив на и адгезiю.
Побудованiй моделi у факторному просторi вiдповiдае пперповерхня вiдгуку (рис. 7).
Таблиця 5
Умови проведення дослав трифакторного експерименту та Ух результати _ (кодування вхiдних факторт та функцiя ввдгуку)__
Х], % мас. Х2, К Х3, см У, Н/мм2
0 338 4,0 1,19
2 341 6,15 1,57
4 343 6,25 2,03
6 346 7,85 2,08
8 348 8,1 2,43
10 349 9,1 2,61
Температура розм'якшення, К
□ 0-0,5 П0,5-1 □ 1-1,5 □ 1,5-2 □ 2-2,5 □ 2,5-3 П3-3,5
Рис. 7. Гiперповерхня в1дгуку адгези нафтобiтумного покриття залежно вiд ди основних чиммикчв
- Хх; Х2 ( при Хз = 6,5)
Висновки
1. Проведено багатофакторне експериментальне дослiдження щодо оцшки впливу вмiсту модифiкаторiв i технолопчних режимiв обробки нафтобiтумних композитiв на 1х адгезiйну мiцнiсть.
2. Побудовано математичну модель першого порядку, яка дозволяе визначити оптимальный склад композицп, вщтак, регулювати експлуатацшт характеристики поверхонь Í3 захисними нафтобиумними покриттями.
3. Показано, що чинниками, яш впливають на адгезiйну мiцнiсть композицш, е вмiст модифiкатора -коолпомерно! темно! нафтополiмерноi смоли на основi вуглеводнiв фракцй' С9 та важко! смоли пiролiзу, и температура розм'якшення та дуктильнiсть.
4. Встановлено, що композицп на основi бiтуму iзоляцiйного БНИ-1У-3, модифiкованого КТНПС, отриманою гомогенно-каталличною коолiгомеризацiею сумiшi вуглеводнiв фракцй С9 та важко! смоли пiролiзу, за фiзико-механiчними параметрами, водостiйкiстю, електроiзоляцiйними i протикорозшними характеристиками вiдповiдають вимогам до iзоляцi! шдземних магiстральних трубопроводiв.
Список використаноТ лiтератури
1. Середницький Я. Сучасна протикорозшна iзоляцiя в трубопроводному транспортi (3-тя частина) / Я.Середницький, Ю.Банахевич, А. Драгилев. - Львiв - Ки!в. - 2005. - 288 с.
2. Долгов М.А. Використання методу математичного планування експерименту для оцшки адгезiйно! мiцностi захисних покритлв, модифiкованих енергетичними полями // М.А.Долгов, Н.А.Зубрецька, А.В.Букетов, П.Д.Стухляк. - Проблеми прочности. - 2012. - №1. - С.111-118.
3. Nykulyszyn I. Sposoby zagospodarowania odpadów przemyslu naftowego na Ukrainie /I. Nykulyszyn, Z. Pich, W. Urbaniak // Rekultywacja i rewitalizacja terenów zdegradowanych. Praca zbiorowa pod redakcja prof. Grzegorza Maliny. -Poznan, Polska, 2009. - № 1 - P. 261 - 270.
4. Nykulyszyn I. Technologie zagospodarowania odpadów z procesów przerobu ropy naftowej. Synteza zywic alifatyczno-terpentynowych / I.Nykulyszyn, A.Rypka, Z. Pich, W.Urbaniak // Kompleksowe zarz^dzanie gospodark^ odpadami. Integrated waste management. Volume 1. Praca zbiorowa pod redakcja prof. Tadeusza Marcinkowskiego. - 2011. - №1 - P. 415-425.
5. Гнапв З.Я. Одержання темних нафтополiмерних смол каталпичною спiвполiмеризацiею важко! смоли пiролiзу з фракщею С9 продуктiв пiролiзу дизельного палива / З.Я.Гнатiв, 1.£.Никулишин, З.Г.Шх, А.М.Рипка, Т.О.Ворончак // Вiсник Нацюнального технiчного унiверситету "ХШ". -2012. - № 68 (974). - С. 176 - 179.
6. Voronchak T. Cooligomerization of dominant monomers of C9 fraction of liquid pyrolysis products: comparison of heterogeneous catalytic approach with common methods /T.Voronchak, I.Nykulyshyn, Z.Pikh, A.Rypka, Z.Gnativ // Central European Journal of Chemistry. - 2014. - №12(2). - P.266 - 280.
7. Гринишин О. Шляхи тдвищення якосп нафтових бiтумiв / О.Гринишин // V наук.- техн. конф. «Поступ в нафтогазопереробнiй i нафтохiмiчнiй промисловостЬ» Тези доп. - Львiв, 2009. -С. 60 - 61.
8. Гринишин О.Б. Основи технологш одержання модифшованих нафтополiмерними смолами бiтумiв та захисних покрить: автореф. дис. ... доктора техн. наук: спец. 05.17.07 / О.Б.Гринишин. -Львiв, 2011. - 40 с.
9. Гриценко Ю.Б. Вплив природи полiмеру на властивостi модифiкованих бiтумiв / С.В.Пиш'ев, Ю.Б.Гриценко, Ю.Я.Хлiбишин, Г.М.Страп, Т.Коваль // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2014. - № 2(64).- С. 4 - 8.
10. ГОСТ 11501-78. Биуми нафтовг Метод визначення глибини проникнення голки.
11. ГОСТ 11505-75. Биуми нафтовг Метод визначення дуктильностi.
12. Didier Lesueur. The colloidal structure of bitumen: Consequences on the rheology and on the mechanisms of bitumen modification. - Advances in Colloid and Interface Science. - 145 (2009) -P. 42 - 82.
13. ISO 4624. £вропейський стандарт. Визначення адгезп до загрунтовано! сталт
14. ДСТУ 3999-2000 «Покриття захист полiмернi, нафтобиумт та кам'яновугшьт. Методи лабораторних випробувань на бюстшшсть». - Ки!в: Держстандарт Укра!ни - 2001. - 16 с.
15. ГОСТ 14 759 (ISO 45 87-79). Метод определения прочности при сдвиге. - М.: Изд-во стандартов. -1970. - 12 с.
