Промышленная контактная среда и способ её получения
INDUSTRIAL CONTACT MEDIUM AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Область техники
[001] Изобретение относится к промышленным акустическим жидкостям и гелям, и может быть использовано в качестве контактной среды при проведении ультразвуковой дефектоскопии и толщинометрии различных изделий из металла, пластика и других материалов, а также и для других методов неразрушающего контроля, использующих звуковые или ультразвуковые волны, в которых требуется обеспечение акустического контакта.
Уровень техники
[002] Ультразвуковая дефектоскопия является одним из самых распространённых методов неразрушающего контроля. Но из-за почти полного отражения ультразвука на границах преобразователь – воздух и воздух – исследуемый объект, в большинстве вариантов этого метода контроля требуется использование контактной среды, проводящей ультразвук. В зависимости от того, какой объект исследуют и в каких условиях, контактная среда может быть более жидкой (при высоких скоростях прохождения ультразвукового преобразователя, например, для рельсовой дефектоскопии), или более вязкой (например, при контроле сварных швов), низкозамерзающей (при контроле в полевых условиях) или предназначенной для обычного диапазона температур (при контроле в условиях лаборатории). Так как промышленная контактная среда часто используется для обследования металлических объектов, важным параметром является коррозионная активность контактной среды. Кроме того, к контактным средам, использующимся в полевых условиях, также предъявляется требование экологической безопасности, так как они часто попадают в почву, например, при обследовании железнодорожных рельсов.
[003] В практике ультразвуковой дефектоскопии вместо специальных контактных сред до сих пор часто используют разные технические жидкости (машинное масло, глицерин, спирт, вазелин и др.). Наиболее часто используемая контактная среда - это машинное масло, оно всегда доступно, способно к хорошему смачиванию поверхности, обеспечивает хороший акустический контакт преобразователя с поверхностью объекта контроля, не замерзает при низких температурах. Но оно пачкается, тяжело отстирывается с одежды, а также трудно удаляется с поверхности металла, усложняя, например, последующую покраску. Из-за низкой вязкости масло практически не подходит для контроля потолочных поверхностей и изделий, имеющих большую шероховатость поверхности, где необходимо использовать ультразвуковую контактную среду более густой консистенции.
[004] В настоящее время известны промышленные жидкости или гели, обеспечивающие акустический контакт при проведении ультразвуковой дефектоскопии и толщинометрии различных изделий. Например, известна жидкая контактная среда по патенту РФ 2366940 (опубл. 10.09.2009, МПК: G01N29/28), имеющая низкую температуру замерзания (кристаллизации) за счет содержания неорганических солей. В качестве ингибитора коррозии указанная среда содержит нитрит натрия. Однако антикоррозионного действия нитрита натрия недостаточно для защиты конструкционных сталей от электрохимической коррозии при высоком содержании неорганических солей в указанной контактной среде. Кроме того, указанная контактная среда непригодна для использования в полевых условиях, так как высокое содержание неорганических солей в составе контактной среды, более 50% по массе, делает её опасной для окружающей среды и способствует засаливанию почвы, например, при дефектоскопии железнодорожных рельсов.
[005] Возможно использование для ультразвуковой дефектоскопии медицинского геля для УЗИ, например, по патенту РФ 2083160 (опубл. 10.07.1997, МПК: A61B8/00; C08L33/08). Высокая вязкость медицинского геля для УЗИ позволяет проводить контроль на вертикальных и шероховатых поверхностях. Однако такой гель непригоден для проведения исследований при температурах ниже 0°C. Кроме того, его состав не способствует антикоррозионной защите поверхности исследуемого объекта.
[006] Известна контактная жидкость для ультразвукового обследования сварочных швов железнодорожных рельсов (CN107367551A, опубл. 21.11.2017, МПК: G01N29/04; G01N29/28). Указанная жидкость содержит растворитель, гелеобразующий агент, дефлокулянт, антикоррозионый агент, вспомогательные добавки и воду. Растворитель представляет собой смесь метанола, этанола и этилацетата. Гелеобразующий агент предпочтительно является карбомером и/или гидроксиметилцеллюлозой. Антикоррозионный агент представлен диэтаноламином, триэтаноламином, сорбиеритенамином или их комбинацией. Способ получения указанной жидкости включает в себя тщательное смешивание метанола, этилацетата и этанола в определенных пропорциях для приготовления растворителя. Затем растворитель тщательно смешивают с водой. В полученную смесь добавляют гелеобразующий агент и выдерживают 6-12 часов. Затем добавляют остальные компоненты и перемешивают полученную смесь в течение 4-6 часов с дополнительным двух- или трехразовым измельчением компонентов. Благодаря растворителю указанная жидкость обладает криогенными свойствами, однако в материалах заявки не описан диапазон рабочих температур. Создание указанной жидкости согласно описанному способу является длительным (не менее 10 часов) и трудоемким, и подразумевает подготовку самих компонентов указанной жидкости, включая не только растворитель, но и антикоррозийный агент в некоторых вариантах реализации.
[007] Жидкая контактная среда по патенту РФ 2652380 (опубл. 26.04.2018, МПК: G01N29/00; G01N29/04; G01N29/28), выбранная в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения, содержит хлорид металла или смесь хлоридов металлов с низкой температурой замерзания в водном растворе, жидкое стекло, полиакриламид, антикоррозионные добавки и воду, при этом она дополнительно содержит формиат металла или смесь формиатов металлов, имеющих низкую температуру замерзания в водном растворе, пропиленгликоль и глицерин. В качестве ингибитора коррозии в указанной среде используется этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА). Указанная контактная среда обеспечивает надежный акустический контакт с контролируемым объектом в широких диапазонах рабочих температур. Однако высокое содержание неорганических солей в составе контактной среды, до 41% по массе, делает её опасной для окружающей среды и способствует засаливанию почвы при использовании в полевых условиях. Использование ЭДТА в качестве ингибитора коррозии в некоторых случаях может привести к обратному эффекту – усилению окислительной коррозии, за счёт того, что ЭДТА связывает ионы двух- и трёхвалентных металлов в прочный комплекс. Кроме того, указанная контактная среда имеет узкое применение и не подходит для проведения контроля на вертикальных или шероховатых поверхностях.
[008] Разнообразие объектов и условий проведения исследований требует подбирать различные контактные среды, подходящие под специфические параметры объекта и окружающей среды. Такой подбор и покупка целого ряда специфических контактных сред несет дополнительные временные и финансовые расходы для пользователя. Гораздо проще купить одну среду, которая эффективна при использовании в различных ситуациях. Таким образом существует необходимость в создании универсальной промышленной контактной среды со стабильными свойствами в широком температурном диапазоне. Ключевыми свойствами такой универсальной промышленной контактной среды являются проведение ультразвука с минимальными потерями и искажениями, надежный акустический контакт с исследуемым объектом, оптимальная вязкость при различных температурах и скоростях движения датчика, антикоррозийная защита и экологическая безопасность.
Краткое описание изобретения
[009] Технической задачей изобретения является создание промышленной контактной среды, имеющей низкую температуру кристаллизации, оптимальную вязкость в широком температурном диапазоне, обладающей низкой коррозионной активностью и экологически безопасной.
[0010] Техническим результатом изобретения является возможность использования заявленной промышленной контактной среды для проведения исследования различных объектов методами неразрушающего контроля с использованием звуковых волн, в том числе, ультразвуковых волн, в лабораторных и полевых условиях при высоких и низких скоростях прохождения преобразователя, при температуре окружающей среды от -60°C до +150°C. При этом заявленная промышленная контактная среда не оказывает коррозионного воздействия на ультразвуковой преобразователь или на исследуемый объект, малотоксична для человека, экологически безопасна для окружающей среды и может использоваться для исследований в любых ситуациях, так как не является токсичной по отношению к окружающей среде.
[0011] Технический результат достигается за счет состава и способа получения промышленной контактной среды, которая содержит перечисленные ниже компоненты в следующем соотношении мас. %:
Многоатомный спирт - 5,0-80,0
Этиловый эфир моноэтиленгликоля или диэтиленгликоля - 1,0-10,0
Реологический модификатор - 0,01-1,0
Соль щелочного металла - 0,05-10,0
Ингибитор коррозии - 0,1-1,0
Очищенная вода- 8,0-93,84
[0012] В качестве многоатомного спирта может быть использован глицерин или пропиленгликоль, которые образуют с водой растворы с низкими температурами кристаллизации, при этом они нетоксичны. Для снижения вязкости при отрицательных температурах в заявленной контактной среде используют этиловый эфир моно- или диэтиленгликоля в сочетании с солью щелочного металла, в качестве которой может быть использован хлорид натрия или ацетат натрия.
[0013] В состав среды могут быть введены консерванты - в количестве 0,05-0,5% к общей массе. Использование консервантов делает заявленную промышленную контактную среду пригодной для длительного хранения и позволяет избежать необходимости приготовления непосредственно перед использованием, что заметно облегчает применение среды, особенно в полевых условиях.
[0014] В качестве реологического модификатора могут быть использованы водорастворимые полимеры, такие как карбомеры, полиакриламид, эфиры целлюлозы, полиэтиленоксид и др. Добавление реологического модификатора в состав заявленной промышленной контактной среды увеличивает вязкость при низких скоростях сдвига и стабилизирует раствор.
[0015] В качестве ингибитора коррозии используют неорганические соли, например, хроматы, нитриты, бензоаты, фосфаты щелочных металлов, или органические соединения, например, алкиндиолы. В предпочтительном варианте реализации в качестве ингибитора коррозии используют 2-бутиндиол-1,4, который защищает поверхность исследуемого объекта как от кислотной, так и от электрохимической коррозии.
[0016] Консерванты в составе заявленной универсальной контактной среды служат для предотвращения размножения микроорганизмов.
[0017] Способ получения промышленной контактной среды заключается в последовательном смешивании компонентов. Причем на первом этапе в очищенную воду добавляют реологический модификатор при интенсивном перемешивании при температуре от +5 до +50 °C. Оставляют смесь без перемешивания для вхождения реологического модификатора в воду (гидратации), предпочтительно на 15 - 30 минут. Затем в полученную суспензию добавляют многоатомный спирт, соль щелочного металла, ингибитор коррозии и консерванты, перемешивают до растворения компонентов. После этого вводят этиловый эфир моноэтиленгликоля или диэтиленгликоля, перемешивают смесь до получения заявленной промышленной контактной среды с однородной консистенцией, например, от 10 до 30 минут.
Подробное описание изобретения
В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.
Состав промышленной контактной среды
[0018] Промышленная контактная среда содержит в своем составе многоатомный спирт, этиловый эфир моно- или диэтиленгликоля, реологический модификатор, соль щелочного металла, ингибитор коррозии, консерванты и очищенную воду.
[0019] Для снижения температуры замерзания заявленной промышленной контактной среды в ее состав входит многоатомный спирт, который образует с водой раствор с низкой температурой кристаллизации. В качестве многоатомного спирта может быть использован глицерин или пропиленгликоль, либо их смесь. Эти вещества нетоксичны для человека и окружающей среды, их водные растворы обладают относительно небольшой вязкостью и небольшой стоимостью. Однако при  понижении температуры окружающей среды, а также при увеличении концентрации пропиленгликоля или глицерина, значительно возрастает динамическая вязкость заявленной промышленной контактной среды, вызванная увеличением степени структурированности раствора за счет разветвленной сети водородных связей между молекулами многоатомного спирта и воды.
[0020] Для снижения вязкости заявленной промышленной контактной среды при отрицательных температурах в заявленной контактной среде используют этиловый эфир моно- или диэтиленгликоля в сочетании с солью щелочного металла. В предпочтительном варианте реализации в качестве соли щелочного металла используют хлорид натрия или ацетат натрия. Хлорид натрия или ацетат натрия способны создать достаточную ионную силу раствора и тем самым снизить вязкость водно-органической смеси при низкой температуре. Хлорид натрия больше подходит для смесей с большим содержанием воды. Ацетат натрия хорошо растворим в водно-органических смесях с бóльшим содержанием органического растворителя. Предпочтительное использование хлорида натрия или ацетата натрия обусловлено их широкой доступностью и небольшой стоимостью, однако это не является ограничением для использования других солей щелочных металлов, имеющих низкую температуру замерзания в водном растворе. При растворении соли щелочного металла в полярном растворителе происходит образование сольватированных ионов, которые понижают стабильность водородных связей между молекулами в смеси растворителей, что приводит к снижению вязкости раствора, особенно при низких температурах. Добавление этилового эфира моно- или диэтиленгликоля, диэлектрическая проницаемость которого значительно ниже диэлектрической проницаемости воды или многоатомного спирта, дополнительно приводит к снижению вязкости раствора за счёт дальнейшего понижения стабильности водородных связей.
[0021] В качестве реологического модификатора используют водорастворимые полимеры, такие как карбомер, полиакриламид, эфир целлюлозы, полиэтиленоксид и др., а также их смесь. Добавление реологического модификатора в состав заявленной промышленной контактной среды увеличивает вязкость при низких скоростях сдвига и стабилизирует раствор. Вязкость такого раствора зависит от типа водорастворимого полимера, используемого в качестве реологического модификатора, и его относительного количества. Как правило, вязкость повышается при увеличении молекулярной массы и концентрации полимера.
[0022] В качестве ингибитора коррозии используют неорганические соли, например, хроматы, нитриты, бензоаты, фосфаты щелочных металлов, или органические соединения, например, алкиндиолы. В предпочтительном варианте реализации в качествее ингибитора коррозии используют 2-бутиндиол-1,4, который образует на поверхностях металлов устойчивые тонкие плёнки полимера, защищая поверхности как от кислотной, так и от электрохимической коррозии. Использование бутиндиола в качестве антикоррозийной добавки известно (например, в патенте US7655279B2, опубл. 02.02.2010, МПК: B05D7/14, C08L33/14, C09D133/14, C23C22/53, C23C22/56, B05D7/16, B05D7/00), однако в большинстве случаев, бутиндиол входит в состав композиций для обработки поверхности металлических деталей и конструкций, чтобы предотвратить их коррозию во время использования, следовательно его использование в составе контактной среды не является известным.
[0023] Смесь с большим содержанием многоатомного спирта (более 80%) не нуждается в дополнительных консервантах. В других случаях композиция может содержать консерванты. Консерванты в составе заявленной универсальной контактной среды служат для предотвращения размножения микроорганизмов. Микроорганизмы, а также продукты их жизнедеятельности, могут приводить к изменению технических характеристик заявленной промышленной контактной среды, вызывать изменение вязкости, кислотности и других параметров. В составе заявленной универсальной контактной среды могут быть использованы один или несколько консервантов. В качестве консервантов могут использоваться любые малотоксичные вещества с известными бактерицидными и фунгицидными свойствами, включая, но не ограничиваясь этим: бензойная кислота и ее соли, например, бензоат натрия, бензиловый спирт, парабены, изотиазолиноны и др. Совместное использование нескольких консервантов продлевает срок хранения заявленной промышленной контактной среды, за счет их синергичного консервирующего действия.
[0024] Соотношение компонентов заявленной промышленной контактной среды в мас. %:
Многоатомный спирт - 5,0-80,0
Этиловый эфир моноэтиленгликоля или диэтиленгликоля - 1,0-10,0
Реологический модификатор - 0,01-1,0
Соль щелочного металла - 0,05-10,0
Ингибитор коррозии - 0,1-1,0
Очищенная вода - 8,0-93,84
[0025] При этом заявленная промышленная контактная среда содержит столько воды, что все компоненты в сумме дают 100% мас.
[0026] В композицию могут быть добавлены консерванты в соотношении 0,05-0,5% к общей массе.
[0027] Указанные соотношения компонентов заявленной промышленной контактной среды являются оптимальными для решения поставленной технической задачи. Во-первых, компоненты среды в указанных количествах не препятствуют распространению ультразвука, обеспечивая скорость его распространения от 1450 м/с до 1700 м/c. Это позволяет применять заявленную промышленную контактную среду в разных методах неразрушающего контроля с использованием звуковых волн с частотой до 10 МГц.
[0028] Во-вторых, совместное включение в состав заявленной промышленной среды многоатомного спирта, этилового эфира моноэтиленгликоля или диэтиленгликоля и соли щелочного металла позволяет снизить температуру кристаллизации заявленной промышленной среды до приблизительно -60°C. В то же время указанная комбинация компонентов позволяет включать соль щелочного металла в концентрации значительно более низкой, чем в известных аналогах.
[0029] Низкая концентрация соли щелочного металла позволяет избежать засаливания почвы при использовании заявленной промышленной контактной среды в полевых условиях. Кроме того, низкая концентрация соли щелочного металла в сочетании с ингибитором коррозии позволяет существенно уменьшить коррозионную активность заявленной промышленной контактной среды. В результате заявленная промышленная контактная среда не вызывает коррозию ультразвуковых преобразователей и исследуемых объектов.
[0030] Совместное включение в состав заявленной промышленной контактной среды многоатомного спирта, этилового эфира моноэтиленгликоля или диэтиленгликоля, соли щелочного металла и водорастворимого полимера обеспечивает стабильность заявленной промышленной контактной среды и оптимальную вязкость в диапазоне рабочих температур от приблизительно -60°C до приблизительно +150°C и при скорости движения преобразователя от приблизительно 0 км/ч до не менее 80 км/ч.
[0031] Консервант в составе заявленной промышленной контактной среды позволяет избежать необходимости её приготовления непосредственно перед использованием. Присутствие консерванта в указанных количествах обеспечивает длительность хранения  заявленной промышленной контактной среды до 5-ти лет без ухудшения её качества. При этом специальные условия хранения не требуются, что облегчает ее применение в полевых условиях.
[0032] Стоит отметить, что все все компоненты заявленной промышленной контактной среды, используемые в указанных количествах, малотоксичны для человека. Благодаря этому заявленная промышленная контактная среда относится к IV классу опасности (вещества малоопасные).
Способ получения промышленной контактной среды, проводящей ультразвук
[0033] Способ получения промышленной контактной среды заключается в последовательном смешивании компонентов. На первом этапе в воду добавляют реологический модификатор при интенсивном перемешивании при температуре от +5 до +50 °C. При этом берут такое количество воды, которое в сумме со всеми другими компонентами дает 100% мас. Смесь оставляют смесь без перемешивания не менее, чем на 15 мин. Предпочтительное время 15-30 мин. Этот этап необходим для вхождения реологического модификатора в воду (гидратации) и предотвращения образования малорастворимых агрегатов реологического модификатора. Добавление реологического модификатора в чистую воду позволяет добиться его полной гидратации за короткое время. Если добавить реологический модификатор в водно-органическую смесь, полученную, например, при смешивании с водой остальных компонентов контактной среды, тогда гидратация реологического модификатора может оказаться неэффективной или занять очень длительное время.
[0034] Затем в полученную суспензию добавляют многоатомный спирт, соль щелочного металла, ингибитор коррозии и консерванты, перемешивают в химическом реакторе до растворения компонентов, которое контролируют визуально по отсутствию осадка. После этого в полученную смесь вводят этиловый эфир моноэтиленгликоля или диэтиленгликоля. Указанные этиловые эфиры являются органическими растворителями с низкой диэлектрической проницаемостью, которые снижают растворимость остальных компонентов. Поэтому их необходимо вводить последними, иначе остальные компоненты могут не раствориться. Полученную смесь перемешивают до получения заявленной промышленной контактной среды однородной консистенции, постепенное перемешивание обеспечивает сохранение структуры готовой контактной среды, поэтому  предпочтительно перемешивание в течение 10–30 минут.
[0035] Кроме того, из приведенного изложения ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, очевидны для квалифицированных в предметной области специалистов.
[0036] Заявленный способ получения промышленной контактной среды отличается простотой и скоростью производства. В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники. Заявляемое изобретение является промышленно применимым и может быть использовано в промышленности и других отраслях экономики или в социальной сфере.
Примеры реализации изобретения
[0037] Для примера приведены конкретные составы заявленной промышленной контактной среды, проводящей ультразвук, которые содержат следующие общие компоненты в мас. %:
2,0 - хлорида натрия или ацетата натрия в качестве соли щелочного металла
0,5 - 2-бутиндиола-1,4 в качестве ингибитора коррозии
1,0 - бензоата натрия в качестве консерванта
вода - до 100% масс.
[0038] Приведенные ниже варианты промышленной контактной среды по настоящему изобретению отличаются используемыми реологическими модификаторами, типом  многоатомного спирта, их содержанием. Технические характеристики соответствующей промышленной контактной среды, проводящей ультразвук, приведены в Таблице 1.
[0039] Контактные свойства приведенных вариантов промышленной контактной среды по настоящему изобретению были проверены в Новосибирском отделении Западно-Сибирской железной дороги. Проведенные специалистами-дефектологами испытания показали, что варианты №1 и №2 предлагаемой контактной среды позволяют проводить ультразвуковую дефектоскопию на скоростях движения преобразователя от 0 до 80 км/ч и обеспечивают надежный акустический контакт с контролируемым объектом.
Таблица 1.
Технические характеристики вариантов промышленной контактной среды по настоящему изобретению с различными реологическими модификаторами и различными соотношениями других компонентов.
<b>№</b>
<b>Используемый реологический модификатор и его содержание, мас. %</b>
<b>Тип многоатомного спирта и его содержание,</b><b>мас. %</b>
<b>Содержание этилового эфира моно- или диэтиленгликоля, мас. %</b>
<b>Рабочий диапазон температур, °C</b>
<b>Динамическая вязкость при 20°C, Па·с</b>
<b>Технические характеристики</b>
1.
Полиэтиленоксид, 0.01%
Глицерин, 60%
1
От -30 до +120
0.012±0.002
Прозрачная однородная слабоокрашенная жидкостьбез механических примесей. Подходит для  рельсовой дефектоскопии.
2.
Полиэтиленоксид, 0.01%
Пропиленгликоль, 80%
10
От -60 до +150
0.010±0.002
Прозрачная однородная слабоокрашенная жидкостьбез механических примесей. Более текучая, чем №1. Подходит для  рельсовой дефектоскопии.
3.
Карбомер, 0.5%
Глицерин, 5%
5
От -5 до +110
6.0±0.5
Прозрачная гелеобразная масса без механических примесей. Подходит для дефектоскопии  на шероховатых поверхностях. Обеспечивает лучший акустический контакт.
4.
Карбомер, 1.0%
Пропиленгликоль, 50%
10
От -40 до +120
9.2±0.6
Прозрачная  слабоокрашенная  гелеобразная масса без механических примесей. Более вязкая, чем №3. Подходит для дефектоскопии  на шероховатых и вертикальных поверхностях.
5.
Карбомер, 1.0%
Глицерин, 50%
10
От -30 до +130
11.2±0.8
Прозрачная  слабоокрашенная  гелеобразная масса без механических примесей.  Более вязкая, чем №3 и №4.  Подходит для дефектоскопии  на шероховатых и вертикальных поверхностях.