УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ ЖИДКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ
DEVICE FOR EVALUATING ELECTRIZATION OF LIQUID OIL PRODUCTS

Изобретение относится к области исследования физико-химических свойств жидких углеводородных продуктов и касается устройств для определения склонности жидких углеводородных продуктов, например светлых нефтепродуктов, к электризации, и может быть использовано как в лабораторных, так и в производственных условиях для оценки качества этих продуктов.
При движении диэлектрических жидкостей на поверхности раздела фаз происходит разделение и накопление электрического заряда, способного вызвать воспламеняющий искровой разряд (ГОСТ 12.1.018-93 ССБТ. Пожаровзрывобезопасность статического электричества. Общие требования).
Для определения необходимости проведения защитных мероприятий и правильного выбора наиболее эффективного способа борьбы с накоплением электростатического заряда в светлых нефтепродуктах нужно знать их склонность к образованию и накоплению зарядов, зависящую от скорости подачи нефтепродукта в различные технические средства (трубопроводы, фильтры, резервуары).
Известно устройство для исследования электризации авиационных топлив, содержащее электроизолированный отрезок трубопровода и измеритель тока объемного заряда на этом участке (Максимов Б.К. и др. Универсальный стенд для исследования электризации авиационных топлив, «Электричество», 1971, №12. - С. 73-76). Недостатком устройства является то, что необходимо иметь предварительную информацию об электропроводности топлива, которая определяется в лабораторных условиях, но может изменяться в процессе перекачки, что приводит к не учитываемой погрешности измерения.
Известно устройство для исследования электризации жидкости, содержащее цилиндрический корпус для размещения в нем исследуемой жидкости с радиальной щелью для отбора проб, возбуждающий элемент, а также блок измерений (а.с. СССР №1075452, H05F 3/00, 1984). Однако устройство не позволяет проводить измерения при использовании трубопроводов и резервуаров из различных материалов, кроме того, на результаты из-за не герметичности будут оказывать внешние условия температура и влажность окружающей среды.
Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является стенд для оценки электризуемости жидких органических продуктов, например углеводородных топлив, содержащий установленный в герметичной камере изолированный сосуд с испытуемым продуктом, к которому подключен измеритель потенциала, и устройство для возбуждения электростатических зарядов, выполненное в виде электрода в форме диска, закрепленного на подвижном в осевом направлении металлическом стержне, прикрепленному к валу привода с регулируемым числом оборотов, стенд имеет приборы для измерения электропроводности испытуемого продукта, а металлический стержень имеет токосъемники, выполненные в виде подшипников качения (а.с. СССР №309477, H05F 1/00, 1971).
Недостатком указанного стенда является низкая эффективность, обусловленная отсутствием возможности оценивать влияние различных материалов на накопление зарядов в топливе, а также наличием потери информационного сигнала из-за использования подшипников качения в качестве токосъемников.
Технический результат изобретения - повышение эффективности устройства за счет создания возможности интегрально оценивать влияние различных материалов на накопление зарядов и за счет приближения условий испытания к реальным условиям перекачки.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для оценки электризации жидких нефтепродуктов, содержащем герметичную камеру, в которой установлен генератор электростатических зарядов в виде контактирующего с анализируемым нефтепродуктом сосуда, внутри которого размещен подвижный электрод, закрепленный на подключенном к измерительному прибору металлическом стержне, имеющим токосъемник, согласно изобретению герметичная камера выполнена двухступенчатой, подвижный электрод выполнен в виде N-вращающихся размещенных каскадно полых цилиндров, выполненных из пеноникеля и связанных с неподвижным металлическим стержнем при помощи подшипников скольжения, под каждым из которых установлен ртутный токосъемник, сосуд генератора электростатических зарядов выполнен проточным, размещен в ступени большего диаметра с возможностью соприкосновения с внутренней поверхностью обечайки герметичной камеры, имеющей в нижней части диаметрально расположенные патрубки для подачи анализируемого жидкого нефтепродукта в сосуд через соосные отверстия в его обечайке, внутри сосуда перпендикулярно каждому патрубку в горизонтальной плоскости установлены встречно насадки для тангенциальной подачи или правосторонней или левосторонней закрутки анализируемого нефтепродукта, а устройство дополнительно содержит с наружной стороны герметичной камеры над патрубками кольцевой магнит и установленный в нижней ступени меньшего диаметра герметичной камеры металлический стакан с перфорированным днищем, во внутреннем объеме которого размещен проточный пакет дисков из пеноникеля, стягиваемый крепежным осевым стержнем, который под перфорированным днищем имеет клемму подключения металлического стакана к измерительному прибору, при этом линия подачи заданного объема анализируемого нефтепродукта подключена к патрубкам через дополнительно введенный переключатель потока, перед которым установлен измеритель расхода, и тем, что диаметр проходного канала в днище сосуда генератора электростатических зарядов составляет 0,45 его внутреннего диаметра.
На фиг. 1 представлена схема устройства для оценки электризации жидких нефтепродуктов (общий вид в разрезе);
фиг. 2 - то же, разрез по А-А на фиг. 1.
Устройство для оценки электризации жидких нефтепродуктов содержит двухступенчатую камеру 1 герметично закрытую с торцов съемными крышками, выполненную из диэлектрического материала. В камере 1 с возможностью замены установлен генератор электростатических зарядов в виде контактирующего с анализируемым нефтепродуктом сосуда 2, выполненного, как вариант, из капролона (ГОСТ 17643-83 Полиамиды стеклонаполненные. Технические условия). Внутри камеры 1 по центральной оси жестко закреплен металлический стержень 3, подключенный к измерительному прибору 4 (Пикоамперметр А 2-4. ГОСТ 22261-94, погрешность измерения 0,1%). Принцип работы прибора 4 основан на преобразовании поступающих на его вход сигналов тока в постоянное или медленно меняющееся напряжение и измерение его уровня аналогоцифровым методом.
На этом стержне 3 каскадно закреплены с возможностью вращения полые цилиндры 5 электрода, которые выполнены из пеноникеля с размером пор 0,560-0,850 мм (ТУ 0401.14-165-95. Пеноникель открыто ячеистый. ЗАО «ЭКАТ», г. Пермь), и связаны со стержнем 3 при помощи подшипников скольжения 6 (Чернавский С.А. Подшипники скольжения. - М.: Машгиз, 1963. - С. 6), под каждым из которых установлен ртутный токосъемник 7. Ртутный токосъемник 7 - контактное устройство, состоит из внутренних (неподвижных или подвижных) и наружных (неподвижных и подвижных) колец, между которыми имеется кольцевой зазор 0,1 мм. Кольца выполнены из меди. В рабочем состоянии зазор между кольцами заполнен ртутью, которая служит проводником, соединяющим неподвижное кольцо с вращающимся кольцом (Гольд Б.В., Оболенский Е.П. Прочность и долговечность автомобиля. - М.: Машиностроение, 1974. - С. 76-78). Наведенный электростатический заряд с металлического стержня 3 по экранированным кабелям и герметичным разъемам (на фиг. 1 не показаны) регистрируется измерительным прибором 4.
Сосуд 2 имеет внутренний диаметр D, как вариант 90 мм (наружный - 94 мм), и установлен в ступени 8 большего диаметра (внутренний диаметр камеры 94-0,1 мм) камеры 1 плотно соприкасающимся с ее стенками и опирающимся на ступень 9 меньшего диаметра камеры 1. Сосуд 2 выполнен проточным с осевым каналом 10 с диаметром d в днище для прохода нефтепродукта в ступень 9 меньшего диаметра камеры 1. Диаметр d=0,45⋅D осевого канала 10 в днище сосуда 2 генератора электростатических зарядов обусловлен необходимостью формирования вихревого течения нефтепродукта и создания условий, приближающих технологию испытаний к натурным условиям заправки техники (Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. - М.: Изд-во «Машиностроение», 1960. - С. 14-16). В ступени большего диаметра 8 имеются диаметрально расположенные патрубки 11, 12 для подачи нефтепродукта сосуд 2. К этим патрубкам 11, 12 перпендикулярно их оси в горизонтальной плоскости присоединены встречно в сосуде 2 насадки 13, 14 для тангенциальной подачи и закрутки нефтепродукта. Насадки 13, 14 присоединены к патрубкам 11, 12 при помощи резьбового соединения в сосуде 2 (могут быть заменены вращающимися вокруг оси патрубками 11, 12 в сосуде 2).
С наружной стороны камеры 1 над патрубками 11 и 12 размещен кольцевой неодимовый магнит 15 с силовым полем аксиальной направленности (Куневич А.В., Подольский А.В., Сидоров И.Н. Ферриты. Энциклопедический справочник. Том 1. Магниты и магнитные системы. - СПб.: ЛИК, 2004. - С. 123).
2
В нижней ступени 9 меньшего диаметра герметичной камеры 1 установлен металлический стакан 16 для минимизации потерь заряда, как вариант, из алюминия АД 00 ГОСТ 4784-97 с удельным электрическим сопротивлением 0,027 Ом⋅мм/м (Кухлинг Х. Справочник по физике. - М.: Мир, 1985. - С. 475). Металлический стакан 16 имеет перфорированное днище 17, опирающееся на кольцевой выступ 18 камеры 1. В стакане 16 размещен проточный пакет 19 дисков из пеноникеля с размером пор 0,560-0,850 мм (ТУ 0401.14-165-95. Пеноникель открыто ячеистый. ЗАО «ЭКАТ», г. Пермь). Пакет 19 стягивается проходящим через осевые отверстия стержнем 20 (с резьбой) гайками, одна из которых служит клеммой 21 для подключения экранированным кабелем с герметичным разъемом 22 к измерительному прибору 4, регистрирующему электростатический заряд.
Линия 23 подачи анализируемого нефтепродукта подключена к патрубкам 11, 12 через переключатель 24 потока, перед которым установлен измеритель 25 расхода. Линия 23 подачи нефтепродукта связана с побудителем расхода (насосом) через установленный в ней вентиль 26.
В качестве переключателя 24 потока (как вариант) выбран трехходовой кран 10НЖ32П проходной (ГОСТ Р 52720-2007 Арматура трубопроводная) с проходным сечением 15 мм, позволяющий переключать подачу анализируемого нефтепродукта или через патрубок 11 или патрубок 12.
Камера 1 имеет предохранительный клапан 27 для обеспечения безопасной концентрации паров нефтепродукта в объеме камеры 1, а также шаровой кран 28 для слива анализируемого нефтепродукта (Папок К.К. Бензины. Издание второе дополненное. - М.: Военное изд-во. Министерства обороны СССР, 1955. - С. 126).
2
Применение неодимового магнита 15 с наружной стороны камеры 1 позволяет под действием силы Лоренца (Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М.: Наука, 1975. - С. 153-154) сконцентрировать и ускорить эвакуацию наведенного электростатического заряда от стенки сосуда 2 к вращающимся полым цилиндрам 5 подвижного электрода из пеноникеля, точнее к стержню 3, с минимальными потерями заряда. Снижение потерь достигается из-за того, что пеноникель обладает ферромагнитными свойствами и небольшим удельным электрическим сопротивлением 0,087 Ом⋅мм/м (Кухлинг Х. Справочник по физике. - М.: Мир, 1985. - С. 475). А размещение каскадно полых цилиндров 5 подвижного электрода позволяет скомпенсировать снижение тангенциальной скорости жидкости в вихревом течении по высоте сосуда 2 (Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. - М.: Изд-во «Машиностроение», 1960. - С. 19-20).
2
Использование подшипников скольжения 6 (вместо подшипников качения) обусловлено большей надежностью, меньшими габаритными размерами, возможностью стабильной работы в жидкой, загрязненной среде. Ртутные токосъемники 7 из-за небольшого контактного сопротивления ртути (0,96 Ом⋅мм/м) (Кухлинг Х. Справочник по физике. - М.: Мир, 1985. - С. 475) позволяют регистрировать минимальные электрические токи, что также повышает чувствительность устройства.
Камера 1 в верхней 8 и нижней 9 ступенях имеет съемные крышки для герметизации (на фиг. 1 не обозначены), кроме того, это позволяет заменять сосуд 2 из материалов с различной диэлектрической проницаемостью, что дает возможность изучать влияние различных материалов на наведение электростатических зарядов в зависимости от скорости, влагосодержания, а также наличия загрязнителей в виде механических примесей.
Устройство работает следующим образом.
Для проведения оценки электризации готовят нефтепродукт - топливо для реактивных двигателей марки ТС-1. Замеряют исходные физико-механические показатели: диэлектрическую проницаемость Е=2,1; влагосодержание С=0,01%; содержание механических примесей не более К=0,030 г/л; температура нефтепродукта Т=20°С. В качестве материала сосуда выбирают, как вариант, капролон с диэлектрической проницаемостью Е=3,0. Открывают вентиль 26 и задают скорость потока нефтепродукта по расходомеру 25 (исходная скорость подачи - 3 м/с). При одном из положений переключателя 24 потока по трубопроводу 23 осуществляется подача нефтепродукта через патрубок 11, возникает правосторонняя закрутка топлива с последующим вращением полых цилиндров 5 подвижного электрода (а через патрубок 12 - подача нефтепродукта с левосторонней закруткой). По мере перекачки нефтепродукта в нем возникают электрические заряды определенного знака. Величина заряда фиксируется на приборе 4. При вихревом движении практически заполняется весь объем сосуда 2. При снижении вертикальной составляющей скорости потока до нуля начинается перетекание нефтепродукта к оси сосуда 2, проходя через пористую проводящую среду (пеноникель) боковых стенок полых цилиндров 5 подвижного электрода, эффективно снимается наведенный в объеме нефтепродукта заряд (чему способствует также действие поля постоянного магнита 15), откуда далее снимается через ртутные токосъемники 7, металлический стержень 3 и по экранированному кабелю подается на заземленный прибор 4, где измеряется электрический ток. Нефтепродукт, поступивший в ступень 9 меньшего диаметра, попадает на проточный пакет 19 дисков тоже из пеноникеля, установленный в стакане 16, откуда оставшийся заряд по экранированному кабелю поступает на измерительный прибор 4 для регистрации (наведенный заряд фиксируется в виде суммы двух величин - заряда, поступившего с полых цилиндров 5 подвижного электрода ступени 8 большего диаметра камеры 1 и заряда, поступившего с проточного пакета 19 ступени 9 меньшего диаметра камеры 1).
Предлагаемое устройство позволяет исследовать процессы электризации при перекачке нефтепродуктов:
при различных скоростях подачи;
при использовании различных материалов трубопроводов;
при варьировании концентраций механических примесей;
при варьировании концентраций воды.
Пример
Необходимо исследовать топливо для реактивных двигателей марки ТС-1 с диэлектрической проницаемостью Е=2,1, подаваемое вихревым насосом из емкости 150 л (на схеме не показаны). Измерения проводятся при перекачке каждых 15 л нефтепродукта, при варьировании скоростей подачи от 3 м/с до 10 м/с при использовании сосуда 2 из капролона, диэлектрическая проницаемость которого Е=3,0 (Краткий физико-технический справочник, под общей ред. К.П. Яковлева. Том 1. Математика. Физика. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы. - С. 357-358). Для оценки точности измерения наведенного электростатического заряда каждое испытание с каждой дозой топлива ТС-1 повторялось не менее 3-х раз, погрешность измерения составила примерно 5%.
Влияние скорости прокачки на ток электризации представлено в таблице 1. Содержание воды, механических примесей, материала сосуда 2, а также температура были следующими: С=0,01%, К=0,030 г/л, Е=3,0, Т=20°C. Увеличение скорости прокачки с 3 м/с до 10 м/с приводит к практически линейному возрастанию тока электризации (по абсолютной величине) с 1,061 мкА до 3,342 мкА.
Влияние диэлектрических материалов на ток электризации представлено в таблице 2. В качестве материала сосуда 2 выбирались материалы: полипропилен - E=1,5; капролон - Е=3,0; геттинакс - Е=7,5 (Краткий физико-технический справочник, под общей ред. К.П. Яковлева. Том 1. Математика. Физика. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы. - С. 357-358). Наведенный заряд электростатического электричества, накапливаемый в продукте, может быть как положительным, так и отрицательным (Изгарышев Н.А., Горбачев С.В. Курс теоретической электрохимии. - М.-Л.: Госхимиздат, 1951. - С. 181, 185, 245), при этом заряды тока электризации изменялись от отрицательных значений при Е меньшем 2,1 до положительных значений при Е большем 2,1. Скорость подачи нефтепродукта была 3 м/с, наличие воды С=0,01%, содержание механических примесей не более К=0,030 г/л, температура нефтепродукта 20°C.
Материалы с различной диэлектрической проницаемостью обуславливают наведение разноименных зарядов в керосине, если диэлектрическая проницаемость стакана меньше, чем диэлектрическая проницаемость керосина, то наведенный заряд и соответственно ток электризации отрицателен (для полипропилена - E=1,4) - I=-0,980 мкА, а для материалов стакана 2 из капролона и геттинакса с диэлектрической проницаемостью 3,0 и 7,5 соответственно наведенный заряд и ток электризации положительны и их величины будут: I=+0,161 мкА и I=+3,633 мкА.
Влияние влагосодержания на ток электризации представлены в таблице 3. При скорости подачи V=3 м/с, содержании механических примесей К=0,030 г/л, для сосуда 2 из капролона Е=3,0, температуре нефтепродукта 20°C определялся ток электризации при содержании воды в нефтепродукте: С=0,01%; 0,02%; 0,03%.
Увеличение концентрации свободной воды приводит к снижению тока электризации. При увеличении концентрации воды в 3 раза среднее значение тока электризации по абсолютной величине уменьшилось с I=1,060 мкА до I=0,270 мкА.
Влияние наличия механических примесей на ток электризации приведены в таблице 4. При скорости подачи V=3 м/с, для сосуда 2 из капролона E=3,0, содержании воды C=0,01%, температуре нефтепродукта T=20°C определялся ток электризации при содержании механических примесей: К=0,030 г/л; 0,050 г/л; 0,070 г/л.
Увеличение содержания механических примесей с К=0,030 г/л до К=0,070 г/л приводит к практически линейному увеличению (по абсолютному значению) тока электризации с I=1,061 мкА до I=3,053 мкА.
В таблице 5 представлены результаты влияния материалов трубопроводов (и эластичных рукавов) на наведенный электростатический заряд. При скорости подачи V=3 м/с, содержании воды С=0,01%, температуре нефтепродукта (топлива ТС-1) Т=20°C, содержании механических примесей К=0,030 г/л определялся ток электризации. В качестве материалов (из которых изготавливаются трубопроводы и эластичные рукава) выбирались: полиуретан с диэлектрической проницаемостью Е=2,25; полиэтилен с диэлектрической проницаемостью Е=2,3; резина армированная с диэлектрической проницаемостью Е=2,5; винилацетат с диэлектрической проницаемостью Е=3,0 (Краткий физико-технический справочник, под общей ред. К.П. Яковлева. Том 1. Математика. Физика. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы. - С. 357-358). Цилиндрические полые вставки из этих материалов устанавливались в сосуде 2.
С ростом диэлектрической проницаемости материалов трубопроводов возрастает наведенный электростатический заряд и растет регистрируемый ток электризации.
Таким образом, за счет совокупности известных признаков: герметичной камеры с генератором электростатических зарядов в виде контактирующего с ним сосуда с электродом, закрепленным на металлическом стержне и подключенном к измерительному прибору через токосъемники со вновь вносимыми: двухступенчатой герметичной камерой, проточным сосудом, тангенциальной подачей продукта или правосторонней или левосторонней закруткой, кольцевого магнита, подвижного электрода, выполненного в виде N-вращающихся полых цилиндров из пеноникеля, ток с которых непосредственно снимается через ртутный токосъемник, и ускорения эвакуации зарядов при действии магнитного поля на закрученный поток нефтепродукта, а также регистрации тока с металлического стакана с перфорированным днищем, внутри которого размещен пакет дисков из пеноникеля, позволяет повысить эффективность разработанного устройства.