Большинство ответственных конструкций изготавливаются из черных сплавов. Это мосты, опоры ЛЭП, краны, другие подъемные механизмы, различные конструкции на железной дороге и в промышленности, а также многие виды транспорта. При таком обширном применении этих материалов экономический эффект даже от небольшого увеличения срока службы или снижения эксплуатационных расходов будет значительным.
Черные сплавы, как известно, подвержены коррозии, в результате портится внешний вид конструкции, она теряет эксплуатационные качества, прочность, надежность и в конечном итоге может разрушиться. Чтобы этого избежать, необходимо защищать металлоконструкции от коррозии, для чего на них наносятся разнообразные грунты и краски.
Однако прежде надо подготовить поверхность металла под покраску, то есть удалить химические отложения, ржавчину, старую краску и другие загрязнения. Чем качественнее очистка, тем дольше прослужит нанесенное покрытие.
Основные методы очистки, применяемые в настоящее время, следующие: механическая, абразивоструйная, струйная обработка водой под высоким давлением, криогенный бластинг. К любому из них предъявляются такие требования как: простота процесса, высокая производительность, возможность обработки сложных конструкций, имеющих изгибы, углубления, болтовые, заклепочные и сварные соединения и что особо важно, экологичность, так как образовавшиеся в результате очистки диспергированные загрязнения, окислы и частицы металла серьезно загрязняют окружающую среду.
Все перечисленные методы не лишены недостатков. Например, механическое удаление загрязнений происходит очень медленно. Кроме того, после механического воздействия образуется активная поверхность, которая в кратчайшее время подвергается коррозии. Это усложняет работу на больших объектах — начальные участки к моменту окончания очистки покрываются ржавчиной (при повышенной влажности это происходит в считанные часы).
Абразивоструйная очистка во многом лишена недостатков механической: она быстрее и для нее практически нет труднодоступных мест. Однако экологическая сторона у этой технологии слаба, так как кроме удаляемых продуктов, окружающая среда загрязняется еще и отработанным абразивом, который во взвешенном состоянии разносится ветром.
Криогенный бластинг — новый экзотический метод очистки, он во многом схож с абразивной очисткой, но вместо абразивного порошка используются гранулы твердой углекислоты (сухого льда). Он безусловно имеет свою нишу, где его применение оправдано экономически и экологически. А иногда очистить поверхность от загрязнений можно только этим методом, и тогда с выбросами углекислоты — парникового газа — приходится мириться. Для использования на протяженных объектах такой метод неоправдан.
Разработанный учеными МГУПИ метод позволяет очищать сложные поверхности без вреда для окружающей среды, без создания зон активной коррозии и без ускоренного износа оборудования
Фото: Светлана Тюрина, Коммерсантъ
Наиболее приемлемым методом для большинства объектов является гидроструйная очистка. В качестве рабочего тела используется простая вода, отходы легко собирать и утилизировать. Процесс очистки аналогичен абразивоструйным методам и обладает всеми их преимуществами. Правда и при этом не обходится без недостатков: для нормального качества очистки нужны большие давления — 1000-1500 атмосфер, что приводит к значительным энергозатратам и необходимости применения сложного и опасного оборудования.
Расширить технологические возможности гидродинамической чистки позволяет введение в струю воды абразивных добавок. Это обеспечивает необходимую производительность уже при относительно невысоких давлениях в 500-1000 атмосфер. Однако гидродинамические параметры струи с абразивом снижаются, то есть падает ее скорость, увеличивается распыл, укорачивается начальный участок; все это приводит к снижению технологических параметров обработки и увеличению энергоемкости. Кроме того, с абразивом насадки для гидродинамической чистки интенсивно изнашиваются, в результате изменяется рабочий диаметр струи и возникает необходимость частых замен.
В тех же случаях, когда некоторые участки металлоконструкции можно обработать лишь на значительном расстоянии от сопла, а также при обработке материалов с высокими физико-механическими характеристиками, когда решающее значение приобретают высокие гидродинамические и энергетические параметры струи, применение воды или воды с абразивом оказывается малоэффективным.
Группой ученых Московского государственного университета приборостроения и информатики под руководством профессора, д.х.н. Александра Крашенинникова применен альтернативный подход к разработке рецептуры рабочей жидкости для гидроструйной очистки. Суть подхода состоит в использовании двух необычных эффектов: первый — эффект Томса, и второй — аномалия вязкости дисперсных систем (дилатансия).
Фото: Светлана Тюрина, Коммерсантъ
Эффект Томса состоит в аномальном снижении потерь давления при (турбулентном) перемещении жидкости по трубопроводу. Достигается он введением в жидкость длинноцепного полимера в малых количествах (0,01-0,02%масс.). Первое практическое применение эффект Томса нашел в пожарной технике — при добавлении малых количеств водорастворимого полимера снижается нагрузка на пожарный насос, увеличивается его производительность. Но самое интересное в том, что струя воды из насадки пожарного рукава имеет совершенно другую форму, нежели без добавки полимера. Она не распадается на отдельные капли и не расширяется, в результате меньше теряет скорость, что сильно увеличивает радиус действия брандспойта.
Явление дилатансии — аномальное реологическое явление, которое состоит в увеличении вязкости дисперсной системы при приложении к ней нагрузок. Термин впервые был введен Рейнольдсом в конце XIX века. В 1967 году А.И. Крашенинников обнаружил явление упрочнения дисперсной системы, отличающееся от дилатансии Рейнольдса полной обратимостью эффекта. Явление было названо "реологической дилатансией".
Дилатансия непривычна, так как в повседневной жизни при перемешивании дисперсной системы — например загустевшего йогурта или кефира — вязкость снижается. Однако каждый может наблюдать реологическую дилатансию там же на кухне на водной суспензии крахмала при 50%об. Такая суспензия будет реагировать на медленное помешивание или переливание как маловязкая жидкость. При резких движениях, например при интенсивном перемешивании, будет наблюдаться значительное сопротивление, а при ударных нагрузках система приобретет вид твердого тела с признаками хрупкого разрушения. После прекращения деформаций суспензия снова станет жидкой.
Именно это свойство дилатантных систем было определено как положительное для гидроструйной очистки. При перекачивании суспензия имеет малую вязкость, не изнашивает сопло и насос, но при соударении с поверхностью ведет себя как твердое тело и соответственно передает энергию как твердое тело, после чего снова становится жидкостью и может легко регенерироваться или утилизироваться.
В состав разработанной жидкости для гидроочистки кроме основного компонента — воды, входят бентонит (вид мелкодисперсной глины) и водорастворимый полимер.
Показано, что в системах такого компонентного состава возникает дилатансия, что повышает эффективность очистки. Полимер же обеспечивает эффект Томса.
Более того. Бентонит, с одной стороны, не является абразивом, а наоборот, благодаря слоистой структуре работает как твердая смазка (аналогично графиту). С другой стороны, содержит твердые наночастицы кварца и корунда. То есть эта дисперсная система не изнашивает сопло и детали насоса при перекачивании, а при соприкосновении с поверхностью обладает абразивным эффектом.
Таким образом, разработанная рецептура жидкости для гидроочистки обладает следующими преимуществами: за счет эффекта Томса увеличивается дальность струи, что обеспечивает возможность обработки на больших расстояниях с сохранением эффективности, а за счет дилатансии взаимодействие струи с поверхностью происходит на качественно другом уровне, что позволяет снизить давление без ухудшения показателей очистки. Причем компоненты рабочей жидкости мягко взаимодействуют с деталями насоса, клапанами и соплом.
Кроме того, практически установлено и ингибирующее действие рабочей жидкости, замедляющее коррозию обработанных металлоконструкций.
Предлагаемая технология гидрообработки может найти широкое применение во многих отраслях промышленности таких как: железнодорожный и автомобильный транспорт; нефте- и газодобыча; нефтепереработка; коммунальное хозяйство; то есть любое производство, где используются стальные металлоконструкции, нуждающиеся в перекраске.
Наука об аномалиях
Реология — дословно "наука о течении". Она изучает деформацию и течение реальных, неидеализированных сред (чаще жидкостей, иногда и твердых тел). Объектом реологии являются дисперсные системы, полимеры, горные породы, нефтепродукты, различные технологические и биологические среды, а также продукты питания. Реология рассматривает, например такие необычные явления, как дилатансия — изменение объема материала (и вызванные им эффекты) при деформации, реопексия — увеличение вязкости при приложении сдвигового напряжения, тиксотропия — явление, противоположное реопексии.