СВЧ-УСТАНОВКА ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРУБ
MICROWAVE INSTALLATION FOR MODIFICATION OF POLYMER COATINGS OF INTERNAL SURFACES OF PIPES

Настоящее изобретение относится к электротермическим СВЧ-устройствам и может быть использовано в трубной промышленности для модификации полимерных антикоррозионных покрытий нефтепромысловых и насосно-компрессорных труб (НКТ), а также водопроводных труб с внутренним защитным полимерным покрытием в коммунальном хозяйстве. Модификация заключается в СВЧ-воздействии на покрытие в процессе его полимеризации и проявляется в увеличении степени полимеризации покрытия вплоть до значений 98-99%. Как следствие, при этом существенно увеличиваются механические, барьерные свойства и температура стеклования защитного полимерного покрытия.
Из существующего уровня техники известно устройство для термической СВЧ-обработки материалов [Mathis, Milt, D. Microwave rotary kiln. WO 2012048284, опубл. 12.04.2012 г.]. Данное устройство содержит источник СВЧ-излучения, который генерирует электромагнитные волны в диапазоне частот от 300 МГц до 300 ГГц, одну полость, содержащую стационарную входную секцию, стационарную выходную секцию и вращающуюся секцию обработки между входной и выходной секциями, а также волновод для передачи микроволновой энергии из источника и ввода ее во входную, или выходную секции.
Данное устройство представляет собой печь, в которую вводится через специальный порт сыпучий материал для его высокотемпературной обработки (порядка 750-900°). Материал через специальное устройство подачи непрерывно поступает во вращающуюся цилиндрическую секцию и выводится из устройства в непрерывном режиме через порт вывода. В процессе вращения материала в секции обработки в эту секцию с одной или двух сторон поступает СВЧ-излучение, которое нагревает весь объем материала в секции обработки до высокой температуры и энергия излучения рассеивается в объеме материала.
Для данного устройство характерно то, что СВЧ-излучение используется только для объемного нагрева сыпучего радиопоглощающего материала. Эта особенность не позволяет применить конструкционные принципы данного устройства для равномерного облучения внутритрубного антикоррозионного покрытия. В вышеописанной установке излучение бесконтрольно поглощается объемом обрабатываемого материала и отражается от стенок секции обработки, тогда как при поверхностной обработке покрытия СВЧ-излучением требуется чтобы количество энергии, поглощенной различными участками покрытия различалось не более чем на 30%. Для решения этой задачи требуется наличие устройств согласования генератора СВЧ-излучения с линией передачи и специальных волноводных устройств для задания волны определенного типа. Эти устройства не предусмотрены в установке-аналоге, что оправдано его иным функциональным назначением.
Известно электротермическое СВЧ-устройство [Морозов Н.Н., Кашкатенко Г.В. Устройство разогрева вязких диэлектрических продуктов при их транспортировке трубопроводами. Патент РФ №2439863 Н05В 6/64, опубл. 10.01.2012 г.]. Данное устройство содержит компактный волновод в форме спиралевидной металлической полосы с распределенными на нем излучателями. Волновод расположен на тефлоновой трубе. Тефлоновая труба коаксиально установлена внутри трубопровода и плотно к нему прилегает. Источник микроволнового излучения соединен с волноводом с помощью коаксиального кабеля через небольшое отверстие в трубопроводе.
Нефтепродукты, транспортируемые по трубопроводу, равномерно прогреваются по всему своему объему вводимой СВЧ-энергией. Источником микроволнового излучения является волновод с щелевыми излучателями на одинаковом расстоянии друг от друга, представляющий собой несимметричную полосковую линию передачи. Источник излучения расположен на внутренней поверхности трубопровода, что позволяет равномерно облучать СВЧ электромагнитным полем (ЭМП) весь объем нефти. Трубопровод при этом не является волноводом, что снимает ограничение по частотному диапазону волн.
Особенностями данного аналога, не позволяющими реализовать его для модификации покрытий внутренней поверхности труб при их изготовлении, являются:
- недостаточная равномерность распределения амплитуды напряженности электрического поля на границе «воздух - покрытие» при данной реализации волновода за счет отражений волны от внутренней поверхности трубы.
- недопустимая сложность ввода устройства внутрь и извлечения его из изготавливаемой трубы, которая далеко не всегда имеет абсолютно прямую форму. Такой волновод, кроме того, повредит структуру нанесенного порошкового или жидкого покрытия до их полной полимеризации, что также недопустимо.
- участки покрытия, находящиеся под линией передачи, не будут подвергнуты облучению СВЧ ЭМП.
Известно устройство СВЧ электротермического воздействия на среду внутри трубы [Воробьев Н.Г., Аюпов Т.А., Даутов А.С., Петров А.В. Способ микроволновой обработки водонефтяной эмульсии, транспортируемой по трубопроводу, и устройство для его осуществления. Патент РФ №2333418, F17D 1/16, B01J 19/08, опубл. 10.09.2008 г.]. Данное устройство содержит неоднородную полуоткрытую линию передачи, например, диэлектрический волновод, полосковую линию или полый волновод из сетчатых структур, размещенную соосно внутри трубы, диэлектрический обтекатель из радиопрозрачного материала и СВЧ-тракт, с которым через специальное отверстие в трубе соединена линия передачи.
При размещении такой открытой линии передачи в трубе она образует с ним неоднородную многослойную коаксиальную структуру (коаксиальный канал микроволновой обработки). По такой схеме хорошо реализуются: микроволновая обработка жидких и сыпучих сред в трубах практически в любом диапазоне частот (ВЧ, СВЧ и КВЧ). Это позволяет равномерно распределить ЭМ энергию в трубах любых диаметров (в том числе на частотах запредельных для данного сечения трубы); проводить обработку материалов с большими и малыми электромагнитными потерями, в трубах из материалов с низкой проводимостью, а также формировать требуемое распределение ЭМ энергии вдоль трубы при использовании минимального числа источников СВЧ-энергии. Распределение ЭМ энергии может задаваться, например, изменением волновых сопротивлений линии вдоль оси трубы. Реализовано это может быть в виде коаксиального устройства в виде центрального проводника переменного сечения или с проводником в виде спирали с переменным шагом намотки.
Особенностями данного аналога, не позволяющими реализовать его для модификации покрытий внутренней поверхности труб при их изготовлении, являются:
- необходимость ввода СВЧ-тракта в трубу в процессе полимеризации внутреннего покрытия и извлечения его после. Жидкое или порошковое покрытие при этом будет гарантированно повреждено, так как до своей полной полимеризации оно будет мягким или сыпучим.
- трубы, особенно длиной 8,5-10 метров, зачастую имеют отклонения от прямолинейности, что также не позволит ввести линию передачи соосно с трубой.
Известно устройство для СВЧ-обработки подтоварной нефти [Гараев Т.К., Анфиногентов В.И., Морозов Г.А. Способ микроволновой обработки жидкой водонефтяной смеси и устройство для его осуществления. Патент РФ №2327865, Е21В 43/34, Н05В 6/64, опубл. 27.06.2008 г.]. Устройство для обеспечения способа содержит узел ввода СВЧ-энергии, расположенный с торца трубопровода, связанный с источником электромагнитных колебаний посредством СВЧ-тракта и узел ввода обрабатываемой среды, расположенный на боковой стенке возле узла ввода СВЧ-энергии. В узле ввода среды герметично установлены датчики температуры и скорости потока в выходном участке трубопровода вне зоны действия СВЧ ЭМП установлены второй датчик температуры, два узла вывода среды, а также блоки измерения различных параметров среды - плотности, теплоемкости и т.д. Причем эти блоки измерения соединены информационными проводами через ЭВМ с источником СВЧ колебаний. Данное устройство наиболее близко из всех существующих к предлагаемому и выбрано в качестве прототипа.
Особенностями данного метода и устройства является то, что в его описании в основном раскрываются аспекты измерения и автоматизации процесса воздействия СВЧ на водонефтяную среду в трубопроводе - измеряемые параметры потока обрабатываемой среды, места расположения датчиков и блоков измерения этих параметров относительно расположения узла ввода СВЧ-энергии и управление мощностью источника СВЧ ЭМП через обратную связь. Конструкторские аспекты, такие как тип волны, устройство возбуждения этой волны в волноводе, материалы из который изготовлен СВЧ-тракт в данном патенте не оговариваются. Эти особенности и обуславливают недостатки прототипа:
1. Отсутствуют устройства согласования источника СВЧ ЭМП с трубопроводом, который используется в качестве волновода, а также не указан тип возбуждаемой волны. Для целей простого нагрева это допустимо, но неприемлимо для тех задач, где требуется равномерное распределение амплитуды напряженности электрического поля в радиальном направлении трубопровода.
2. Не определены тип колебаний, устройство их возбуждения и способ соединения генератора СВЧ ЭМП с излучателем. Любой трубопровод характеризуется определенным внутренним диаметром и для его использования в качестве волновода необходимо согласовать частоту СВЧ-воздействия с этим диаметром, путем задания характеристик волны и параметров линии передачи.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в обеспечении непрерывного за все время полимеризации и равномерного по всей длине трубы воздействия напряженности электрического поля на защитное внутреннее покрытие трубы с целью его модификации в условиях высокой температуры (~200°C), при которой начинается процесс гелеобразования и дальнейшей полимеризации в структуре полимерного покрытия.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является улучшение эксплуатационных свойств внутреннего полимерного антикоррозионного покрытия труб (увеличение механических, барьерных свойств и температуры стеклования), а также снижение энергетических затрат на нагрев покрытия в процессе его термической полимеризации.
Решение поставленной задачи достигается тем, что СВЧ-установка для модификации внутритрубных антикоррозионных полимерных покрытий, отличающаяся тем, что она содержит магнетронный генератор, чья коаксиальная антенна введена на расстоянии от торца в  длины волны излучения в полость устройства возбуждения в виде волновода переменной формы сечения параллельно его короткой стороне и который механически с помощью винтов соединен с этим устройством возбуждения и опорное шасси, в чьей полости проведен кабель к блоку питания от магнетронного генератора и к которому магнетронный генератор закреплен при помощи болтов; установка подводится к торцу трубы в процессе полимеризации ее внутреннего покрытия соосно ей и испускает СВЧ электромагнитные волны, согласованные по типу колебаний и частоте с внутренним диаметром трубы и затухающие не более чем на 30% от мощности на входе на всем протяжении трубы до того как они достигнут противоположного торца и поглотятся устройством согласования в виде плиты, закрывающей печь с торца и изготовленной из радиопоглощающего материала, например, композита из полистирольной матрицы, заполненной ферритовым порошком; непрерывность работы магнетронного генератора в условиях высоких температур обеспечивается замкнутым контуром водяного охлаждения в виде полимерной трубки с циркулирующей в ней водой или иным охладителем, которая проведена через полость опорного шасси к магнетрону, обвивает по спирали анодный блок и выводится также через полость опорного шасси; в процессе полимеризации покрытия трубы генератор работает в импульсном режиме с временем подачи излучения в трубу, например, равном 10 секунд и шагом подачи излучения 30 секунд.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами: Фиг. 1 - СВЧ-установка для модификации полимерных покрытий внутренних поверхностей труб.
Фиг. 2 - Общий вид линии СВЧ-полимеризации - печь полимеризации с трубой и подведенная к ней СВЧ-установка.
Устройство состоит из магнетронного генератора 1, который излучает электромагнитные волны частотой 2450 МГц мощностью 1 кВт. Устройство возбуждения 2, в виде волновода, чье сечение меняется с прямоугольного на круглое, закреплено к магнетрону крепежными элементами, в данном случае винтами 7. Волновод заканчивается рупорным излучателем с малым (не более 5°) углом раскрыва. Коаксиальная антенна магнетрона введена в устройство возбуждения колебаний через отверстие на расстоянии в  длины волны генерируемого магнетроном излучения от торца устройства возбуждения.
Магнетрон и устройство возбуждения соединены с опорным шасси 3 с помощью крепежных элементов, в данном случае болтов 6. Опорное шасси включает в себя полость, в которой проложен кабель 4 от блока питания к разъему на магнетронном генераторе. Анодный блок магнетрона обернут по спирали замкнутым водяным контуром охлаждения 5 для функционирования установки в непосредственной близости от печи полимеризации. Контур охлаждения также проложен в полости опорного шасси 3.
СВЧ-установка вплотную подведена к печи полимеризации и к торцу облучаемой трубы. Печь включает в себя корпус 8, плиту 9 изготовленную из радиопоглощающего материала, например, композита из полистирольной матрицы, заполненной ферритовым порошком. Длина печи L зависит от того, трубы какой длины проходят в ней обработку. Целесообразно организовывать такую линию СВЧ полимеризации отдельно под каждый типоразмер труб. Для НКТ, например, длины изготавливаемых труб составляют 8,5-10,5 метров. Плита вставляется в специальные пазы на противоположном от СВЧ установки конце печи. Нагрев трубы внутри печи осуществляется за счет работы ТЭНов 10, вставленных в рамки 12, которые присоединены к внутренним стенкам печи и через специальные разъемы (на Фиг. 2 условно не показаны) электрически соединены с источниками напряжения. Крышка 11 с механическим управлением закрывает печь после того как из нее была вынута труба с готовым полимеризованным покрытием и вложена новая. Под печи представляет собой конвеерную линию, которая в случае необходимости подвозит трубу к СВЧ установке.
Установка работает следующим образом:
01
11
Труба после подготовки поверхности, нанесения слоя праймера, предварительного нагрева и нанесения полимерного материала, подается в предварительно разогретую до температуры полимеризации покрытия печь. После закрытия крышки 11, на магнетронный генератор 1 по кабелю 4 подается анодное и катодное напряжение. Антенна магнетрона, введенная в возбуждающее устройство 2, генерирует СВЧ-излучение частоты и мощности, зависящих от характеристик магнетрона. Это излучение в прямоугольной волноводной структуре изменяется от всенаправленного к упорядоченной волне типа H для прямоугольного волновода. При плавном переходе сечения возбуждающего устройства от прямоугольного к круглому в цилиндрической части волновода генерируется волна типа Н, характерная для круглых волноводов. Для этой волны Я критическая в цилиндрических волноводах составляет:
11
Таким образом, например, для излучения типа H частотой 2,45 ГГц (длина волны 12,5 см) наименьший радиус трубы будет составлять 36 мм. Затухание волны в трубе можно рассчитать по формуле:
где α - постоянная затухания [Дб/м]
r - радиус трубы [м], примем равным 0,05 для трубы внутренним диаметром 100 мм.
σ - проводимость металла трубы [Сименс/м]. Для стали марки 20 при 200°С σ=3540000
11
Для λ=12,5 см, радиуса трубы 50 мм и типа волны Н ξ=0,72.
m=1
Коэффициент затухания будет составлять 0,1 Дб/м. Для трубы с R=50 мм длиной 10 м затухание энергии СВЧ волны составит ~25%, что можно считать приемлемым.
Для обработки труб с внутренним диаметром менее 72 мм необходимо применять СВЧ-излучение соответствующей частоты.
Сгенерированное излучение заданного типа волны поступает в трубу в осевом направлении через конический рупорный излучатель на конце устройства возбуждения. Через время порядка 20 мин. (для каждого покрытия, рекомендованные время и температура полимеризации отличаются) напряжение на магнетрон перестает подаваться. Вода в контур охлаждения 5 анодного блока подается постоянно, независимо от того, подается ли на него напряжение или нет, для непрерывного охлаждения магнетронного генератора. Также генератор СВЧ может работать в импульсном режиме, например, с временем подачи излучения в трубу равном 10 сек и временным шагом в 30 сек. Время облучения и шаг могут варьироваться, исходя из результатов лабораторных испытаний конкретного покрытия после облучения СВЧ ЭМП образцов в различных режимах.