В смежных отраслях. Рубрика в журнале - Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал
Идентификации фуллеренов в структуре железоуглеродистых сплавов
Статья научная
В строительной индустрии широко применяются стали различного назначения, например, в качестве армирующего материала в железобетонных конструкциях. В нефтегазовой отрасли используются стальные сооружения для хранения и транспортировки взрывоопасных токсичных сред. При этом случаются катастрофические разрушения, которые указывают на недостаточно глубокие знания о процессах, происходящих в конструкционных материалах в процессе их нагружения. Исследования последних лет указывают на то, что многие свойства сталей закладываются на наноуровне при кристаллизации из расплава и термической обработке. Обнаружение и идентификация различными методами фуллеренов С60 и С70, которые являются самостоятельными нанообъектами в структуре железа, требует изучения влияния этих объектов на формирование свойств сталей. Атомы железа могут выступать в качестве катализатора и, взаимодействуя с крупными ароматическими структурами или фрагментами графитовых плоскостей, формируют объемные структуры типа фуллеренов. При этом возможно и обратное явление: влияние образовавшихся нанообъектов на структурирование атомов железа, поскольку размер фуллеренов сопоставим с размером устойчивого зародыша кристаллической фазы железа. В работе обсуждается вопрос о механизмах образования фуллеренов в сталях и чугунах. Наиболее сложной проблемой в исследованиях является идентификация фуллеренов спектральными методами вследствие малого количества выделяемых молекул. Для повышения чувствительности метода ИК-спектрометрии фуллеренов предлагается использовать бромид калия. Высушенный и измельченный осадок, полученный в результате растворения матрицы железа в сталях, смешивается с бромидом калия, при этом смесь окрашивается в ярко оранжевый цвет. Это свидетельствует о присутствии бромистых фуллеренов и о наличии фуллеренов в исследуемых образцах. Показано, что предложенный алгоритм подготовки пробы существенно повышает чувствительность метода.
Бесплатно
Исследование армированных облегченных тампонажных материалов
Статья научная
Практика строительства нефтяных скважин показывает, что применение традиционных тампонажных материалов не всегда обеспечивает необходимое качество крепления скважин при повышении требований к охране недр. Это относится к таким сложным геологическим условиям, как чередование интервалов с различными пластовыми давлениями, наличие горизонтов с низкими градиентами давлений гидроразрыва пластов, большие отходы от вертикали и т.д. Основными проблемами при креплении скважин в таких условиях являются: поглощение тампонажных растворов, недоподъем цементного раствора до проектной высоты, недостаточно качественное разобщение пластов и возникновение вследствие этого межпластовых перетоков. Высокое качество крепления скважин будет обеспечиваться только при надежном контакте цементного камня с ограничивающими его поверхностями (обсадная колонна и горная порода), поэтому применение расширяющихся тампонажных материалов при цементировании является общепризнанным [1, 2]. При этом очевидно, что их применение не даст положительных результатов в интервалах с толстой глинистой коркой или интервалах каверн, т.е. там, где пространство для расширения больше, чем величина самого расширения. В то же время весьма сложна задача качественного цементирования в пластах с аномально низким пластовым давлением или с низким градиентом гидроразрыва, решением которой является применение облегченных цементов, которые при твердении практически не расширяются. Это связано с тем, что облегченные тампонажные растворы обычно получают увеличением содержания жидкости затворения в растворе, в результате чего увеличивается расстояние между кристаллогидратами - продуктами твердения цемента, приводящее к снижению кристаллизационного давления расширяющих добавок на пространственный каркас цементного камня [3, 4]. Кроме того, такие работы, как вторичное вскрытие пласта (перфорация), освоение скважины и гидроразрыв пласта создают большие динамические нагрузки на цементный камень, которые ведут к его разрушению. При этом цементное кольцо может быть полностью разрушено, что часто приводит к преждевременному обводнению скважин, и компании несут дополнительные расходы. В этой связи, необходимо совершенствовать рецептуры тампонажных цементов с целью улучшения свойств камня по отношению к высоким динамическим нагрузкам. Таким образом, актуальной является задача получения облегченных расширяющихся тампонажных цементов с улучшенными технологическими свойствами.
Бесплатно
Статья научная
В статье показано, что при эксплуатации большинства технологических установок по переработке углеводородного сырья по-прежнему актуальной остается проблема образования отложений в шлемовых трубах после ректификационных и стабилизационных колонн, печей и иных технологических аппаратов, используемых в нефтепереработке. Состав шлемовых отложений змеевиков печи и ректификационных колонн был исследован на примере малой технологической установки (МТУ) АО «Конденсат» (г. Аксай, Республика Казахстан). Было определено, что ключевыми компонентами данных отложений являются сульфиды железа и меди, а также элементарная сера. Показано, что поверхность контактных устройств аппаратов МТУ - сеток из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т - в значительной степени подвержена коррозии. Эти образцы представляют собой структуры, все еще сохраняющие геометрию исходных сеток, но утратившие их функциональные свойства и характеристики. При приложении механического воздействия такие образцы легко превращаются в серый высокодисперсный порошок. В процессе эксплуатации технологической установки МТУ были апробированы разнообразные ингибиторы коррозии и деэмульгаторы типа ТАЛ-25-13-Р по ТУ У 24.1-00135390-114-2002 с изменением 1, Адди ТОП по СТО 67177647-14-2012, ИКБ-4 и ИКБ-4-У по ТУ 38.101460-74, ДИН-4 по ТУ 2226-001-34743072-98 и т.д. При этом практически все использованные марки ингибиторов коррозии не смогли решить задачи снижения коррозии нержавеющей стали и образования твердых отложений в шлемовых трубах технологических аппаратов. Существующие ингибиторы коррозии создают защиту на границе раздела фаз металлическая поверхность - жидкость, однако они не эффективны на границе раздела фаз металлическая поверхность - жидкость - парогазовая фаза (при температуре 150-250оС). Предложен механизм образования данных соединений в результате коррозии металлических сеток из нержавеющих сталей марки 12Х18Н10Т в присутствии сернистых соединений. Рекомендовано применение активного метода защиты от коррозии путем создания наноразмерных антикоррозионных покрытий из бинарных соединений (таких как нитрид титана) или чистых металлов (Ni, Cr, Ti, Cd, Zn и т.д.), не снижающих высокие исходные показатели сеток по теплопроводности и теплоемкости, что позволит существенно увеличить срок службы контактных устройств и, как следствие, значительно улучшить производственные и экономические показатели действующих технологических установок по переработке нефтяного сырья.
Бесплатно
Коррозионная стойкость сварного соединения узла "труба-трубная решетка", полученного сваркой трением
Статья научная
Кожухотрубные теплообменники широко применяются для реализации различных процессов на предприятиях топливно-энергетического комплекса. Стоимость производства и надежность теплообменников этого типа в значительной степени определяется соответствующими характеристиками трубного пучка, узел «труба - трубная решетка» является его характерным соединением, в частности, при использовании сварочных операций для присоединения труб к трубной решетке в дополнение к развальцовке. При изготовлении такого оборудования из жаропрочных хромистых или хромомолибденовых сталей, в том числе из стали 15Х5М, процесс производства неразъемных соединений становится значительно более сложным и дорогостоящим из-за необходимости применения термической обработки до, во время и после сварки (эта проблема особенно применима при изготовлении крупногабаритного оборудования). Одним из вариантов исключения термической обработки из технологического процесса является использование «недуговых» способов сварки - лазерной сварки, сварки взрывом, а также сварки трением. Использование каждого из методов сварки, упомянутых выше, во время производства теплообменного оборудования имеет свои технологические проблемы и особенности. В данной статье приводится сравнительный анализ структуры сварного шва и распределения электродных потенциалов сварных соединений и основного металла швов, имитирующих соединение трубы с трубной решеткой из стали 15Х5М с использованием следующих методов сварки: ручная дуговая сварка металлическим покрытым электродом, дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа и сварка трением. Сравнительный анализ макро- и микроструктур определенных зон исследуемых сварных соединений показал, что соединения, полученные методами дуговой сварки, не проявляют явной неоднородности структуры после проведения термической обработки, что объясняется правильностью применения термообработки. Соединения, полученные сваркой трением, характеризуются структурной неоднородностью микроструктуры металла зоны сварного соединения. Полученная в результате сварки трением ультрамелкозернистая структура позволяет говорить о качественном улучшении структуры соединения в результате воздействия на металл на наноуровне. Проведенное исследование значений электродного потенциала в конкретных точках основного металла и сварных соединений, полученных различными методами, показало, что с точки зрения электрохимической коррозии соединения «труба - трубная решетка», полученные сваркой трением без термической обработки, являются весьма конкурентоспособными с точки зрения коррозионной стойкости с аналогичными деталями, полученными методами дуговой сварки. Этот факт позволяет рассматривать метод сварки трением узла «труба - трубная решетка» как альтернативу методам дуговой сварки, что, в свою очередь, позволяет не только получить узел «труба - трубная решетка» с высоким уровнем прочности и пластических свойств без термической обработки, но также значительно снизить энергетические и трудовые затраты на изготовление трубных пучков кожухотрубных теплообменников, в том числе из стали 15Х5М.
Бесплатно
Статья научная
Коэффициент вытеснения является важной информацией при оценке динамики добычи нефти и перспектив применения методов интенсификации разработки и повышения нефтеотдачи, в том числе с использованием нанотехнологий. Однако до настоящего времени отсутствуют надежные промысловые методы прогнозирования данного параметра непосредственно в скважине, в условиях естественного залегания продуктивных пластов, что является причиной неучета этого важного параметра при оценке эффективности воздействия на призабойную зону пласта. В настоящей работе предлагается методика прогноза коэффициента вытеснения по данным промысловой геофизики, позволяющая оценить данный параметр в каждом пластопересечении как по разрезу, так и по площади месторождения. Методика основана на использовании двух комплексных параметров, характеризующих фильтрационные свойства и степень гидрофильности (гидрофобности) продуктивного пласта. Оба комплексных параметра легко определяются по данным стандартного комплекса геофизических исследований скважин. В настоящее время при интенсификации добычи и повышения нефтеотдачи пластов набирают популярность технологии, использующие растворы, содержащие наночастицы SiO2. Предлагаемый способ расчета остаточной нефтенасыщенности и коэффициента вытеснения можно использовать для получения базовых значений соответствующих параметров при оценке эффективности методов интенсификации и повышения нефтеотдачи, в том числе с использованием нанотехнологий.
Бесплатно
Методика расчета концентраций CO2 и H2S в жидкой фазе
Статья научная
В статье предложена методика расчета необходимых концентраций растворенных газов в жидкой фазе, создание компьютерной программы, учитывающей все основные параметры проведения испытаний. В результате проведения многочисленных математических расчетов сформулирована методика по разработке расчета концентраций растворенных газов в жидкой фазе. Представлена реализация разработанной модели в виде программного продукта «Автоклав 2.1». Разработанная методика расчета концентраций растворенных газов в жидкой фазе предназначена для осуществления ускоренных испытаний стойкости внутренних антикоррозионных покрытий трубопроводов к агрессивным средам и взрывной декомпрессии, для интенсификации коррозионных процессов и выявления основных механизмов и закономерностей изменения физико-механических и эксплуатационных свойств покрытий от гидротермальных воздействий промысловых сред.
Бесплатно
От ультрадисперсных металлических и оксидных порошков к наноразмерным
Статья научная
Приведен обзор результатов многолетних исследований Института металлургии Уральского отделения Российской академии наук. Показаны возможности практического использования результатов и перспективность дальнейших исследований.
Бесплатно
Получение металлофуллеренового поверхностного слоя при науглероживании стали из различных сред
Статья научная
Проведены исследования по созданию металлофуллеренового слоя в сталях при внедрении углерода из органической и неорганической сред. В качестве неорганической среды использовали карбонат бария, а в качестве органической среды использовали пек нефтяного происхождения. С целью формирования необходимого количества фуллеренов при науглероживании стальных образцов подобран оптимальный температурный режим. Чем выше температура, тем меньшую роль играют адсорбционные и когезионные эффекты и большую роль начинают играть процессы деструкции полимерных углеродных структур. Снизу температура ограничена температурой размягчения нефтяного пека и перехода его в маловязкое состояние для улучшения подвижности молекул и возможности их диффузии к поверхности металла. Идентификация фуллеренов в поверхностном модифицированном слое производилась методами ИК-Фурье спектрометрии и высокоэффективной жидкостной хроматографии. Обнаружено, что образующиеся в ходе науглероживания в среде карбоната бария и в среде пека наноуглеродные структуры имеют различную морфологию. При науглероживании из среды карбонатов металлов определяющую роль при синтезе фуллеренов играет каталитическое действие поверхности с образованием эндоэдральных производных в поверхностном слое, в то время как из среды пека фуллерены формируются при кристаллизации последнего, при этом центры кристаллизации имеют фуллереновую природу. Руководствуясь теоретическими данными и данными спектрального и хроматографического анализа, установлены оптимальные условия формирования металлофуллеренового слоя в среде карбоната бария и нефтяного пека. Обнаружено слабое сцепление модифицированного в среде карбоната бария слоя с металлической основой, что вызвано ограничением диффузии углерода в объем α-Fe. Согласно выявленному механизму формирования фуллеренов в газовой среде на поверхности стали фуллерены формируются на каталитических центрах – атомах железа, образуя тонкий металлофуллереновый слой, обладающий низкой дефектностью. Комплексные исследования диффузии углерода в сталь из органической и неорганической среды показали различия механизмов формирования металлофуллеренового слоя и позволили разработать эффективные алгоритмы технологии модифицирования поверхности.
Бесплатно
Статья научная
Дезинтеграторная технология имела широкое распространение в строительной индустрии и нефтегазовой промышленности. В процессе бурения скважин используются порошкообразные материалы, качество которых часто определяет результаты строительства скважины как инженерного сооружения. Применение дезинтеграторной технологии при обработке глинопорошков, являющихся одним из основных компонентов, используемых для получения промывочных жидкостей, показало высокую эффективность данной технологии. Одним из основных многотоннажных материалов, используемых при строительстве глубоких скважин на нефть и газ, являются тампонажные портландцементы. Однако специфические условия скважины и технологии проведения работ обуславливают дополнительные требования как к тампонажному цементу, так и к раствору и камню, получаемому из этого вяжущего. Это касается высоких водоцементных отношений, жестких рамок по плотности, водоотдаче, седиментационной устойчивости растворов, высокой прочности и низкой проницаемости камня. Высокая коррозионная активность пластовых флюидов и высокие температуры, часто превышающие 100-150оС, предъявляют повышенные требования по коррозионной и термической стойкости продуктов твердения. Применение модифицирующих добавок и меха- Приведены результаты исследования влияния механохимической активации кремнеземистых добавок на структуру их поверхности и экспериментально доказано происходящее при этом повышение скорости взаимодействия кремнезема с гидроксидом кальция, необходимое для повышения долговечности тампонажного камня. Показано улучшение структуры получаемого цементного камня после дезинтеграторной обработки цемента.
Бесплатно
Статья научная
Дезинтеграторная технология имела широкое распространение в строительной индустрии и нефтегазовой промышленности. В процессе бурения скважин используются порошкообразные материалы, качество которых часто определяет результаты строительства скважины как инженерного сооружения. Применение дезинтеграторной технологии при обработке глино-порошков, являющихся одним из основных компонентов, используемых для получения промывочных жидкостей, показало высокую эффективность данной технологии. Одним из основных многотоннажных материалов, используемых при строительстве глубоких скважин на нефть и газ, являются тампонажные портландцементы. Однако специфические условия скважины и технологии проведения работ обуславливают дополнительные требования как к тампо-нажному цементу, так и к раствору и камню, получаемому из этого вяжущего. Это касается высоких водоцементных отношений, жестких рамок по плотности, водоотдаче, седиментационной устойчивости растворов, высокой прочности и низкой проницаемости камня. Высокая коррозионная активность пластовых флюидов и высокие температуры, часто превышающие 100-150оС, предъявляют повышенные требования по коррозионной и термической стойкости продуктов твердения. Применение модифицирующих добавок и меха- ноактивации цементов и тампонажных смесей позволяет эффективно решать указанные проблемы. Приведены результаты исследования влияния механохимической активации кремнеземистых добавок на структуру их поверхности и экспериментально доказано происходящее при этом повышение скорости взаимодействия кремнезема с гидроксидом кальция, необходимое для повышения долговечности тампонажного камня. Показано улучшение структуры получаемого цементного камня после дезинтеграторной обработки цемента.
Бесплатно
