ТРУБОПРОВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ НЕФТИ
УДК 622.692.4.076
© Коллектив авторов, 2015
Перспективы ионно-плазменной металлизации тканей как эффективного метода отражения ИК-излучения композиционными теплоизоляционными материалами
1
С.В. Левитин,
Е.Е. Лапин,
Н.А. Логинова, к.т.н.,
А.В. Рыженков, к.т.н,
(Научный центр «Износостойкость»,
Национальный исследовательский
университет «МЭИ»),
Л.С. Гальбрайх, д.х.н.,
Е.Н. Субчева
(Московский гос. университет дизайна и технологии)
Адрес для связи: razumand@rambler.ru
Ключевые слова: энергетическое оборудование, металлизация, конструкционные материалы, композиционные материалы, теплоизоляция.
Prospects for ion-plasma metallization of fabrics as an effective method of reflection of infrared radiation by composite insulation materials
S.V. Levitin, E.E. Lapin, N.A. Loginova, A.V. Ryzhenkov (Scientific Research Center Wear Resistance, National Research University Moscow Power Engineering Institute, RF, Moscow), L.S. Galbraikh, E.N. Subcheva (The Moscow State University of Design and Technology, RF, Moscow)
E-mail: razumand@rambler.ru
Key words: power engineering equipment, thermal insulation, construction materials, composite materials, metallization.
The aim of this work was to research the reflectivity of the heat-resistant tissues in the visible and in the infrared spectra, metallized by method of ionplasma spraying. In the result of studies it was established that the metallizing tissue increases the reflectance in the infrared range by 45%. Thus metallized tissue can be used at temperatures above 500 °C. The results of these tests can be used for further research of processes of metallization and for creating an effective thermal insulation for energy equipment, oil and gas pipelines.
Перекачка высоковязких нефтей, добыча которых ежегодно возрастает, требует их подогрева на тепловых станциях или на протяжении всей трассы. Согласно статистике на магистральных нефтепроводах на каждые 1000 км трассы приходится 3-4 аварии в год, их большая часть сопровождается утечками нефтепродуктов. Известно также, что пожароопас-ность наряду с взрывоопасностью является одним из специфических свойств нефтепродуктов. Сокращение потерь теплоты с поверхности нефтепроводов и тепло-обменного оборудования, а также повышение их огнезащиты достигаются за счет использования качественной тепловой изоляции. К числу перспективных в этой области относятся исследования высокотемпературных теплоизоляционных тканей.
Производство технического текстиля благодаря широкой номенклатуре спроса и разнообразию применения в различных отраслях относится к наиболее активно развивающимся высокотехнологичным секторам текстильной промышленности [1]. В ассортименте технической текстильной продукции важное место занимают ткани, изделия из которых эксплуатируются в экстремальных условиях (повышенные температуры, агрессивные среды и др.). С повышением рабочей температуры поверхности тела доля электромагнитного излучения возрастает [2, 3]. При этом основная часть тепла отво-
дится не за счет кондукции, а за счет ИК-излучения, которое начинает преобладать в процессах теплопереноса при высоких температурах [4]. Как правило, для снижения потерь тепла за счет теплового излучения широко используют экраны из материалов, обладающих высоким коэффициентом отражения (Я > 90 %) и характеризующихся степенью черноты в инфракрасном диапазоне 0,8-10-3-0,8 мм, в том числе специальные типы тканей [5].
В настоящее время для снижения лучистых тепловых потерь в промышленности применяют фольма-ткани, которые представляют собой композиционный материал, состоящий из стеклоткани и закрепленной на ней с помощью органического связующего алюминиевой фольги. Фольма-ткань используется в качестве покровного слоя теплоизоляционных конструкций оборудования и трубопроводов систем тепло- и водоснабжения воздуховодов, котельных, холодильных установок и др. Однако выше температуры 500 °С стекловолокно теряет физико-механические свойства, а связующее между тканью и фольгой подвергается термодеструкции.
Тепловые потери лучистой составляющей на объектах, работающих при более высоких температурах, можно снизить использованием металлизированных тканей на основе термостойких неорганических волокон. У большинства металлов отражательная способность для ИК-излучения значительно больше, чем для
1Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Соглашения о предоставлении субсидии «Разработка новой теплоизоляционной конструкции для защиты оборудования, эксплуатирующегося при температурах до 700 °С» №14.577.21.0119 от 20.10.2014 г. (уникальный идентификационный номер RFMEFI57714X0119).
106 08'2015
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
видимого света, она возрастает с увеличением длины волны ИК-излучения [6]. Например, коэффициент отражения таких металлов, как А1, Аи, Ag, Си, при длине волны 10 мкм достигает 98 % [7, 8]. Металлизация тканей по методу ионно-плазменного напыления позволяет исключить использование органического связующего, что существенно повышает предельные температуры эксплуатации тканей, а в сочетании с возможностью формирования многофункциональных покрытий на основе металлов (Л, Сг, А1, ЫЬ, Ш и др.) и сплавов (№-Сг, и др.) - повысить отражательную способность материала и термостойкость покрытия до температуры 1200 °С.
Для формирования металлических покрытий на поверхности тканей в работе была использована установка ионно-плазменного напыления, одним из преимуществ которой является применение магнетронных систем, работающих в режиме двойного незатухающего разряда. Высокий уровень воздействия ионов на поверхность растущей пленки, характеризующийся отношением потока ионов к потоку осажденных атомов, а также энергией воздействующих ионов, позволяет наносить покрытия реактивным магнетронным распылением при низких температурах (< 100 °С) поверхности изделий [9].
Объектами исследования являлись ткани на основе кремнеземного волокна (КТ 11 30 К) и керамического волокна (ПГИ ТР 10), металлизированные ионноплаз-менным напылением порошка А1 чистотой 99,99 %, а также промышленно выпускаемые фольма-ткани TG 200 А1 и GT 270 А1. Основные параметры исследуемых тканей приведены в табл. 1.
Для оценки эффективности снижения лучистых тепловых потерь применяли метод оценки защитной способности тканей при воздействии ИК-излучения, сущность которого заключается в определении максималь-
Таблица 1
Марка ткани Состав Плотность, г/м3 Тип переплетения
КТ 11 30 К Кремнеземное волокно, слой металлизации 50 нм 300 Полотно
ПГИ ТР 10 Керамическое волокно, слой металлизации 50 нм 1100 Перекрестный сатин
TG 200 Al Стекловолокно, алюминиевая фольга (толщина 18 мк) 270 Полотно
GT 270 Al Стекловолокно, алюминиевая фольга (толщина 18 мк) 640 Полотно
ной температуры необлучаемой стороны материала и максимальной температуры воздушного промежутка размером 3 см за материалом (ГОСТ 12.4.074-79 «Система стандартов безопасности труда. Ткани и материалы для спецодежды. Методы определения защитной способности и стойкости при воздействии ИК-излучения»). Температуру измеряли с помощью самописца Сште-Х2 фирмы ТСф с начала облучения ткани до достижения стационарных значений температуры на необлучаемой стороне материала и в воздушном промежутке за материалом. При этом весь прибор закрывали специальным теплозащитным кожухом.
Согласно полученным данным (табл. 2) металлизация тканей позволяет уменьшить лучистый теплообмен по сравнению с необработанными тканями на 47 % для ткани КТ 11 30 К и на 52 % для ткани ПГИ ТР 10. Рабочая температура излучающего элемента составляет в среднем 460 °С, однако в табл. 2 этот показатель значительно выше. Данное явление связано с отражательной способностью материалов, так как значительная часть ИК-излучения отражается в сторону излучающего элемента, температура, фиксируемая на поверхности излучателя, представляет собой сумму температур излучателя и отраженного излучения. Вместе с тем отражательная способность промышленных фоль-ма-тканей в среднем в 1,5 раза выше, чем металлизированных тканей. Основная причина - большая однородность поверхности закрепленной на ткани фольги. Согласно работе [10] шероховатость поверхности является основным фактором отражения и пропускания лучистой составляющей.
Несмотря на то, что значения отражательной способности материалов в видимом и ИК-спектрах не зависят друг от друга, представляло интерес сравнение коэффициентов отражения тканей в зависимости от длины волны падающего света, так как эта характеристика определяется степенью однородности поверхности исследуемых материалов. Отражательную способность поверхности тканей исследовали с использованием спектрофотометра SP-60 со сферической геометрией измерения, относящегося к приборам класса точности А. Согласно полученным данным (рис. 1) из металлизированных тканей лучшей отражательной способностью в видимом спектре обладает ткань КТ 11 30 К, имеющая во всем диапазоне длин волн стабильный коэффициент отражения на уровне 55 %. Ткань ПГИ ТР 10 характеризуется значительно меньшим коэффициентом отражения, который варьируется в зависимости от длины волны от 29 % (при длине волны 400 нм) до 34 % (при длине
Таблица 2
Показатели Марка ткани
КТ1130 К КТ 11 30 К (металлизированная) ПГИ ТР 10 ПГИ ТР 10 (металлизированная) GT 270 Al TG 200 Л
Температура, °С: датчика на поверхности излучателя 530 580 541 570 643 645
необлучаемой стороны ткани 421 350 406 314 285 319
воздушного промежутка 342 281 338 285 248 257
Разница температур поверхности излучателя и необлучаемой стороны ткани, °С 109 230 135 256 358 337
Разница рабочей температуры излучателя и фактической температуры поверхности излучателя, °С 70 120 81 110 183 185
Примечание: Рабочая температура излучателя составляет 460 °С.
100 90 80 £ 70
ее 60
50 40 30 20
-1 ( и ч k 1 1
- >-—■< ------- -------- 1—---- V-----Н 1-----н Р
4 К---- »3
► • — • л у.--- .4
350 400 450 500 550 600 650 700 750 Длина волны, нм
Рис. 1. Зависимость к
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.