Тулинов Андрей Борисович. Разработка методов восстановления систем жизнеобеспечения коммунального хозяйства композиционными материалами

brief description

Тулинов Андрей Борисович. Разработка методов восстановления систем жизнеобеспечения коммунального хозяйства композиционными материалами : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.02.13, 05.07.08 : М., 2004 362 c. РГБ ОД, 71:05-5/592

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СЕРВИСА
На правах рукописи
ТУЛИНОВ АНДРЕИ БОРИСОВИЧ
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СИСТЕМ
ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА
КОМПОЗИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
Специальности: 05.02.13 - «Машины, агрегаты и процессы»
(коммунальное хозяйство и бытовое обслуживание)
05.17.08 - «Процессы и аппараты химических технологий»
Диссертация на соискание ученой степени
доктора технических наук

Научные консультанты:
доктор технических наук,
профессор В.И. Морозов
доктор химических наук,
профессор И.А. Грибова
МОСКВА 2004

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
1. АНАЛИЗ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ И
МЕТОДОВ УСТРАНЕНИЯ ДЕФЕКТОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ. ОБОСНОВАНИЕ ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 11
1.1. Дефекты трубопроводов и оборудования в системах жизнеобеспечения 11
1.2. Современные ремонтные композиционные материалы и возможности их
применения 22
1.2.1. Характеристики композиционных материалов и области применения 22
1.2.2 Исследование современных ремонтных композиционных материалов и
технологии их применения в различных отраслях промышленности 33
1.3. Анализ проблемы обеспечения адгезионной прочности металлополимеров с
твердыми поверхностями 37
1.3.1. Теоретические представления об адгезии полимеров 37
1.3.2. Влияние на адгезию физико-химических свойств полимеров, технологических
факторов и внешних воздействий 44
1.4. Постановка задачи исследования 61
Выводы 64
2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АНАЛИЗА ДЕФЕКТОВ И ПРИЧИН ИХ
ВОЗНИКНОВЕНИЯ 66
2.1 Формирование массива информации. Алгоритмы поиска причин дефектов 66
2.2. Метод анализа дефектов на основе использования детерминированных
диагностических матриц 86
2.2.1. Абстрактная модель объекта анализа дефектов 86
2.2.2 Математическая модель объекта, представленная в виде детерминированной
матрицы 90
2.2.3. Оптимизация детерминированных матриц 93
2.2.4. Алгоритм поиска причин дефектов, основанные на детерминированных
матрицах 99
2.3. Вероятностные методики поиска причин дефектов 102
2.3.1. Основные понятия распознавания 102
2.3.2. Алгоритмы определения причин дефектов, основанные на использовании
элементов теории распознавания 103
2.3.3. Алгоритмы определения причин дефектов через максимальную величину ее
условной вероятности 108
2

Выводы ИЗ
3. РАЗРАБОТКА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
СОСТАВОВ РЕМОНТНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 115
3.1. Теоретические предпосылки к созданию новых ремонтных композиционных
материалов 115
3.2 Методы выбора компонентов при разработке композиционных материалов 125
3.3. Исследование состава и свойств аналогов 138
3.4 Разработка рецептуры металлополимерного компаунда 142
3.4.1 Объекты и методы исследований 142
3.4.2 Разработка полимерной основы компаунда 146
3.4.3 Разработка отверждающей системы 147
3.4.4. Выбор системы наполнителей : 149
3.5. Отработка составов и испытания металлополимерных композиций 151
3.5.1. Отработка вариантов рецептуры в процессе испытаний 151
3.5.2. Результаты испытаний образцов металлополимерных композиций 154
Выводы 156
4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СОЗДАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ДЛЯ РЕМОНТА В АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЯХ 158
4.1. Исследование аналогов и разработка технических требований к композиту
ускоренного отверждения 158
4.2. Разработка композиционных материалов ускоренного отверждения на эпоксидной
основе 163
4.3. Разработка композиционных материалов ускоренного отверждения на акриловой
основе 169
4.4. Испытания композиционных материалов ускоренного отверждения 177
Выводы 182
5. ИССЛЕДОВАНИЕ АДГЕЗИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С
МЕТАЛЛАМИ 184
5.1. Методы исследования адгезии 184
5.2. Методика проведения исследований адгезии 187
5.2.1. Выбор схем испытаний... 187
5.2.2. Выбор металлов и композитов для проведения испытаний 189
5.2.3. Подготовка образцов соединений для проведения испытаний 193
5.3. Исследование зависимости адгезионной прочности соединений от состава
образцов, технологических и эксплутационных факторов 197

5.3.1. Влияние на адгезионную прочность химического состава и структуры сталей 197
5.3.2. Влияние на адгезионную прочность продуктов коррозии 199
5.3.3. Влияние очистителей и обезжиривающих составов на адгезионную прочность 201
5.3.4. Влияние температуры на адгезионную прочность соединений 202
5.4. Зависимость адгезионной прочности от качества поверхности соединений 206
5.4.1. Влияние методов обработки поверхности на адгезионную прочность соединений... 206
5.4.2. Определение расчетной зависимости влияния шероховатости на адгезионную
прочность 213
Выводы ; 222
6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ ПРИ РЕМОНТЕ СИСТЕМ И ОБОРУДОВАНИЯ В ЖКХ 223
6.1. Основы разработки технологических методов применения композиционных
материалов 223
6.2. Технология устранения основных видов дефектов. .234
6.3. Производственные испытания и внедрение результатов исследований 238
6.4. Экономическая эффективность применения композиционных материалов 243
Выводы 246
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 248
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 251
ПРИЛОЖЕНИЯ 270
1. Классификация дефектов.
2. Зарубежные ремонтные композиционные материалы
3. Теоретические представления об адгезии полимеров к твердым поверхностям.
4. Пример расчета на основе алгоритмов теории распознавания образов.
5. Техническая заявка на разработку металлополимерного компаунда.
6. Методика проведения испытаний композиционных материалов.
7. Заключение по результатам исследования материала «Поксилин»
'8. Результаты измерений, расчетов, испытаний образцов.
9. Техдокументация на композиционные материалы «Полимет», «Поликом»,
«Мультипласт».
10. Примеры применения металлополимеров на предприятиях ЖКХ.
11. Акты внедрения
12. Методика и расчеты экономической эффективности от внедрения ремонтных технологий применения композиционных материалов.

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе дано теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы восстановления систем жизнеобеспечения коммунального хозяйства композиционными материалами.
Основные выводы и результаты диссертационной работы:
1. Показано, что работоспособное состояние систем водоснабжения, газоснабжения и теплоснабжения в ЖКХ России может быть восстановлено за счет устранения 15-20% дефектов и повреждений с помощью применения композиционных материалов.
2. Установлено, что существующая система анализа дефектов и повреждений систем жизнеобеспечения ЖКХ не является объективной, что потребовало разработки научных основ автоматизированного анализа дефектов на базе системы классификации и кодирования информации о дефектах и записи этой информации по единой форме, обеспечивающей проведение достоверного поиска тождественных и аналогичных дефектов и позволяющих использовать методы математического моделирования для осуществления этого анализа.
3. Разработан метод анализа дефектов на основе использования детерминированных диагностических матриц и элементов вероятностной оценки событий. Использование детерминированных матриц предусматривает создание абстрактной модели объекта в виде таких матриц, основанных на двузначных булевых функциях, дальнейшей оптимизации матриц и осуществлении автоматизированного анализа дефектов. Вероятностные методы позволят определить причины дефектов путем оценки истинности гипотез, определения минимальной функции различия, нахождения максимальной величины условной вероятности. На основании разработанного метода предложена систематизация дефектов систем жизнеобеспечения ЖКХ, учитывающая причины их появления и позволяющая оперативно их диагностировать и назначать технологии их устранения.
4. Разработан физико-химический метод формирования состава ремонтных композиционных материалов для стандартного и ускоренного отверждения, учитывающий конкретную область применения в системах жизнеобеспечения ЖКХ. Данный метод позволил разработать рецептуры ремонтного композиционного материала «Полимет», и композиции быстрого отверждения «Поликом». Новизна технологических решений защищена шестью патентами РФ и тремя авторскими свидетельствами. На основании данного метода
248

разработана методика формирования рецептуры ремонтных композиционных материалов для конкретных условий их применения.
5. Установлены зависимости характеристик ремонтных композиционных материалов от состава, количественного содержания и характеристик входящих компонентов. Данные зависимости, а также установленные новые закономерности изменения адгезионной прочности композиционных материалов от параметров шероховатости восстанавливаемой поверхности и зависимости физико-механических и технологических характеристик композиционных материалов от температуры в процессе полимеризации и в процессе эксплуатации восстанавливаемых объектов, были положены в основу разработки метода устранения дефектов и повреждений в системах жизнеобеспечения ЖКХ.
6. Предложена математическая модель напряженного состояний слоя композиционного материала в адгезионном состоянии «Полимет»-металл, определены преобладающие напряжения с учетом влияния микронеровностей подготовленной поверхности, установлена расчетная зависимость прочности адгезионных соединений «Полимета» от параметров контактного взаимодействия.
7. Разработан метод устранения дефектов и повреждений в системах жизнеобеспечения ЖКХ, учитывающий конкретные условия эксплуатации систем. На основании данного метода разработаны новые технологии поддержания и восстановления работоспособного состояния систем жизнеобеспечения ЖКХ, внедрение которых позволило существенно увеличить ресурс этих систем.
8. Рекомендации по разработке новых ремонтных композиционных материалов и клеев, а также технологий их применения использованы в:
- технических условиях на ремонтные композиционные материалы «Полимет», «Мультипласт» и «Поликом»;
- технологическом регламенте ремонтных работ на оборудовании и трубопроводах методом «холодной сварки» с применением металлополимера «Полимет»;
- технологии ремонта оборудования и трубопроводов с использованием композиционных
материалов; .
- технологии ликвидации дефектов литья с использованием композиционных материалов.
249

Разработанный технологический регламент ремонтных работ на оборудовании и трубопроводах методом «холодной сварки» с применением металлополимера «Полимет» внедрен в ЖКХ г. Мытищи.
. 9. Технологические методы ремонта с использованием композиционных материалов внедрены на ряде предприятий ЖКХ для устранения дефектов в системах водо-, тепло- и газоснабжения, а также на промышленных предприятиях РФ для ликвидации дефектов литья и восстановления технологического оборудования.
10. Эффективность технологии применения композиционных материалов заключается в удешевлении стоимости ремонта в 5-6 раз, сокращении сроков ремонта в 2-3 раза в сравнении с традиционными методами, в увеличении в 1,5-4 раза срока службы отремонтированных объектов. Фактический экономический эффект от внедрения технологии «холодной сварки» только за 2004 год составил более 1,1 млн. рублей.