В настоящее время инфраструктурные объекты, используемые человечеством, остаются уязвимыми для такого природного явления, как обледенение. В последние годы появилось много технических разработок по мероприятиям борьбы с гололедом на линиях электропередач. К ним относятся: удаление гололеда с проводов и тросов электрическим током; механические способы; профилактический прогрев проводов; предложение гидрофобного противообледенительного средства в форме покрытия, которое может быть нанесено на поверхность и обладать длительным полезным сроком службы [1-4, 7]. Все предлагаемые мероприятия требуют постоянного активного участия персонала и больших затрат энергии.

Создание гидрофобных свойств поверхности и уменьшения сцепления со льдом путем нанесения покрытий также малоэффективно с точки зрения практики вследствие использования дорогостоящих химических реагентов, короткого срока службы и сложности повторного нанесения. При этом химические реактивы не всегда безопасны для окружающей среды. Часто гидрофобные материалы теряют это свойство при низких температурах. Намерзание льда происходит на любых поверхностях.

Целью работы является исследование возможности обработки металлической  поверхности путем изменения структуры и нанесения модифицирующего вещества.

В настоящее время широкое применение находят кабели и провода с неизолированной поверхностью. При их производстве используется алюминиевая катанка. Поверхность неизолированной продукции соответствует ее составу [5-6]. Учитывая стадии производства катанки, такие как прокатка, намотка и последующая скрутка при изготовлении провода, целесообразно предположить, что структура поверхности провода может быть самой различной.

В качестве объектов исследования использовали образцы неизолированных проводов марок АСПТ и ГТК, предоставленных ООО «ЭМ-КАБЕЛЬ». Эксперимент проводили как с отдельно взятыми жилами диаметром 2 мм, так и с проводом в скрутке, состоящим из семи жил. Длина образцов составляла 75 мм.

Обработку поверхности проводили с помощью абразивных материалов. Затем наносили тонко измельченный графит в интервале температур 20÷400 °С. Выбор графита в качестве модифицирующего вещества обусловлен его гидрофобными свойствами, химической стойкостью, тепло- и электропроводностью, экологической безопасностью, доступностью, простотой нанесения на поверхность провода.

Следует отметить, что при обработке поверхности провода при температуре до 400 °С графит на металле практически не закрепляется и отслаивается при погружении его в воду. Нанесение модифицирующего вещества производили после предварительного прогрева образца в печи в течение 15 минут при указанной температуре.

Изучение поверхности отдельно взятой жилы методом оптической микроскопии показало, что она имеет неоднородную структуру (Рисунок 1). Преобладают продольные полосы, образующиеся при производстве жилы. Параллельное исследование семи жил привело к идентичным результатам.

В результате скрутки наряду с полосами образуется также тонкая сетчатая структура за счет деформационных дефектов (Рисунок 2). В целом поверхность становится более неоднородной и пористой.

После механической обработки на поверхности провода появляются четко выраженные царапины как продольного, так и поперечного направления (Рисунок 3). Их количество и размеры больше, чем на необработанном проводе.

Первоначально предполагалось, что увеличение шероховатости поверхности металла за счет нанесения продольных и поперечных царапин будет способствовать удержанию большего количества модифицирующего вещества и лучшему его сцеплению с поверхностью. Изучение под микроскопом модифицированной поверхности показало, что графит заполнил практически все трещины и поры (Рисунок 4). Поверхность стала более гладкой и матовой. В сколах образовались своеобразные «островки». При этом основная часть графита сосредотачивается в промежутках между жилами.


Известно, что гидрофобной является поверхность, краевой угол натекания которой имеет значение > 120°. При нанесении капли воды на необработанный образец последняя имела форму полусферы, края которой растекаются по поверхности (Рисунок 5). Размеры составляют около 4 мм. Очевидно, это связано с преобладанием на поверхности металла продольных царапин. Краевой угол натекания составляет 71±2°. Соответственно угол наклона поверхности к горизонту имеет значение 105±3°. В этом случае капля воды не будет соскальзывать с поверхности. Отсюда следует, что данная поверхность не обладает гидрофобными свойствами.

На механически обработанном проводе, края капли воды не растекаются, она имеет более округлую форму (Рисунок 6). Краевой угол натекания несколько увеличился и составил 83±2°.


Нанести каплю воды, указанных выше размеров, на поверхность провода после обработки графитом оказалось практически невозможно, так как она с нее скатывается. Фиксируются лишь капли не более 1 мм. Данный факт свидетельствует о том, что гидрофобность поверхности увеличилась. Тем не менее, мелкие капли размыты и угол наклона поверхности к горизонту практически не изменился и составил 103±2° (Рисунок 7). Полученные результаты дают возможность предположить, что капли воды будут задерживаться на поверхности провода, но структура намерзающего льда будет различной.

Как показали исследования, намерзание льда на алюминиевом проводе и графитовом стержне происходит по-разному. Алюминиевые жилы обильно покрываются ледяными каплями, а графитовый стержень в меньшей степени (Рисунки 8-9). Во втором случае капли более обозначены. На алюминии между каплями образуется тонкая ледяная корка, а на графите она отсутствует. Таким образом, графит меньше восприимчив к обрастанию льдом.

Сравнение жилы, не подвергшейся механической обработке, и образцов с более пористой поверхностью (без графита) показало, что капли воды намерзают на них в равной степени (Рисунок 10). Однако, во втором случае они более крупные. По этой причине между ними не формируется тонкая ледяная корка. Наледь на образцах с графитом ровная и гладкая (Рисунок 11). Таким образом, процесс формирования ледяной корки в значительной степени зависит от состояния поверхности металла.

Аналогичные исследования намерзания льда были проведены с образцами, состоящими из семи скрученных алюминиевых жил. На модифицированном алюминиевом проводе структура льда ровная и гладкая. Она формируется при первичной обработке поверхности и дальнейшего нарастания льда не происходит. Очевидно, это обусловлено лучшим обтеканием поверхности.

Результаты проведенных исследований показывают, что модификация приводит к увеличению гидрофобных свойств поверхности (на ней не фиксируются капли воды размером более 1 мм) и изменению структуры намерзающего льда, способствующей лучшему обтеканию.

 

Список литературы

1.     Бойнович Л.Б, Емельяненко А.М. Гидрофобные материалы и покрытия: принципы создания, свойства и применение [Текст] / Л.Б. Бойнович, А.М. Емельяненко // Успехи химии. - 2008 - Т. 77, № 7. – С. 619-638.

2.     Борьба с гололедом – Эксплуатация воздушных линий электропередачи // Энергетика: оборудование, документация. // [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://forca.ru

3.     Противообледенительное покрытие. // [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.findpatent.ru

4.     Пат. 2200771 Российская Федерация, МПК7: С 23С 26/ 00. Способ модификации поверхности металлов / Никитин К.Н. , Орлов В.К. , Шлепов И.А.; заявитель и патентообладатель: Российский химико- технологический университет им. Д.И. Менделеева. – № 2001114427/02; заявл. 30.05.2001; опубл. 20.03.2003. – 4 с.

5.     ТИ 25310.00001 Производство  катанки алюминиевой методом непрерывной разливки и проката. Технологическая инструкция. – Введ. 15.07.10. – М. : Государственный комитет по стандартам: Изд-во стандартов, 2010. – 35 с.

6.     ТУ 16-705.493-2006 Катанка из алюминиевого сплава. Технические условия. – Введ. 01.12-2006. – М. : Государственный комитет по стандартам: Изд-во стандартов, 2006. – 10 с.

7.     Устройство для плавки наледи на проводах высоковольтных линий индукционным током. // [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://elektroas.ru