ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРЕТОВ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

В начале XX века был открыт электрический аналог постоянного магнита японским физиком М. Егучи. Впоследствии он был назван электретом (это название было предложено еще в 1896 г. английским физиком О. Хевисайдом). «Электрет – это кусок диэлектрика, обладающий квазипостоянным электрическим зарядом. Термин «квазипостоянный» означает, что постоянные времени, характеризующие разряд электрета, существенно превосходят интервалы времени, в течение которых изучается данный эффект» [4, с. 11].

Электреты обладают определяющим и отличительным от диэлектриков свойством – остаточной поляризацией (поляризация, сохраняющаяся длительное время после прекращения внешних воздействий). Остаточная поляризация включает в себя две составляющие: «внутреннюю» и «внешнюю» поляризации. «Внутренняя» остаточная поляризация образовывается либо посредством «вмерзания» дипольных молекул и слабо связанных ионов, либо посредством «вмерзания» сместившихся к электродам ионов и электронов. Явление «внешней» остаточной поляризации объясняется захватом инжектированных зарядов (рисунок 1).

Рисунок 1. Виды зарядов в электрете: 1 – ориентированные и ориентирующиеся диполи; 2 – смещенные заряды; 3 – инжектированные носители заряда

Согласно общепринятой двухзарядовой теории Гросса, электреты имеют два вида заряда: гетерозаряд (рисунок 2а) и гомозаряд (рисунок 2б). Механизм образования гетеро- и гомозарядов различен: «гомозаряд всегда образуется за счет «чужих» (внешних) ионов или электронов, а гетерозаряд – путем ориентации или смещения «собственных» (внутренних) диполей и ионов диэлектрика с последующим их «вмерзанием» [3, с. 49].

Рисунок 2. Гетерозаряженный (а) и гомозаряженный (б) электреты

Существует целый ряд способов получения электретов, которые совершенствуются сообразно развивающимся технологиям. Классификация электретов в зависимости от способа получения приведена в таблице 1.

Таблица 1.

Классификация электретов в зависимости от способа получения

Многообразию способов получения электретов соответствует широкий спектр материалов, из которых их получают. К электретным материалам относятся воски (пчелиный, карнаубский), смолы (канифоль, сосновая), полимеры (полихлорвинил) и керамические материалы (титанат кальция). Разнообразие электретных материалов объясняет преимущества и недостатки электретов, специфику областей их применимости и их особенности.

Практическое применение электретов в нефтегазовой отрасли открывает перспективы замены традиционного технологического оборудования на оборудование, в основе которого лежат электретные свойства. Одним из примеров практического применения электретных свойств являются электретные фильтры. «По виду электретного элемента различают два основных типа электретных фильтров – с конструкционными электретными деталями и с волокнистыми электретными материалами» [2, с. 46]. Примером первого типа является электретная форсунка. Электростатическое поле электретного элемента форсунки заряжает частицы воды, распрыскиваемой посредством форсунки, что значительно усиливает эффект пылеподавления в промышленных пылеуловителях.

Пример второго типа – это электретные фильтры из волокнистых электретных материалов, представляющих собой слой ультратонких волокон со стабильным электрическим зарядом. Действие таких фильтров основано на улавливании аэрозольных частиц с помощью создаваемого электретной составляющей фильтра электростатического поля и механических свойств волокна. Под воздействием сил электростатического поля заряженные частицы притягиваются к фильтрующему элементу, а на нейтральные частицы наводится заряд в электростатическом поле фильтрующего элемента. «Электрическое удерживание частиц весьма эффективно даже при недостаточной прочности механических удерживаний, т. е. диаметр частиц может быть значительно меньше диаметра ячеек фильтроэлемента»[2, с. 46].

Разработка фильтров из волокнистых электретных материалов принадлежит отечественному физику И. В. Петрянову. Впоследствии такие электретные фильтры получили название фильтров Петрянова. Фильтры Петрянова применяются для очистки воздуха и других газов от тонкодисперсных аэрозолей, что является функционально важным для нефтегазовой отрасли. Недостатками волокнистых электретных материалов фильтров Петрянова является их невысокая механическая прочность и стекание электрического заряда при наличии ионизирующего облучения и повышенной влажности.

Недостатки электретов в одной сфере их применения могут оказаться основополагающим преимуществом для применения в другой. Так свойство электретов изменять свой заряд пропорционально дозе облучения лежит в основе принципа действия электретных дозиметров. В дозиметрах электреты используются в электретных ионизационных камерах, предназначенных для измерения уровня ионизирующего излучения. Преимущество электретного дозиметра заключается в том, что «он способен накапливать дозу, получаемую в различные промежутки времени и хранить ее в течение многих лет» [1, с. 2].

Некоторые свойства электретов, которые сводятся к подавлению его электростатических свойств и, в зависимости от материала, к его разрушению, могут быть полезны для нефтегазовой промышленности. «Нагревание электрета, например, в аварийной ситуации, может дать ток термостимулированной деполяризации (ТСД), достаточный для питания радиопередатчика» [2, с. 46].

Одно из основных свойств электретов индуцировать переменный ток при колебании подвижного электрода является базовым принципом работы некоторых измерительных приборов – датчиков давления, вибрации и тахометрических датчиков. В качестве примера электретного датчика давления рассматривается изобретение В. М. Петрова. Электретный датчик давления Петрова представляет собой измерительное устройство в герметичном корпусе, в котором расположена мембрана с нанесенным на ее внутреннюю сторону электретом, противоэлектрод, смонтированный на электромеханическом преобразователе, генератор гармонических колебаний и резонансный усилитель. Действие этого датчика давления основано на возникновении переменного напряжения засчет изменения расстояния зазора между противоэлектродом и электретом. Вибрация противоэлектрода осуществляется генератором по гармоническому закону посредством электромеханического преобразователя. Выходное напряжение от датчика пропорционально действующему давлению. Электретный датчик давления Петрова способен измерять давление жидкостей и газов, а наличие выходного напряжения является важным фактором для применения таких датчиков в системах автоматизации.

В основе принципа действия электретного датчика вибрации лежит тот же эффект, что и в электретном датчике давления. Отличительной особенностью является то, что колебания, осуществляемые подвижным электродом, совершаются в результате вибрации какого-либо объекта (например, насосного агрегата), на который установлен датчик. Чем больше интенсивность вибрации объекта, тем больше величина выходного тока.

В электретном тахометрическом датчике переменное напряжение возникает в результате перемещения электрода в электростатическом поле электрета или периодического перемещения электрета относительно электрода. Скорость вращения может определяться или по величине выходного напряжения, или по частоте индуцируемых импульсов. Основное преимущество электретного тахометра и электретного датчика вибрации заключается в том, что им не требуются внешние источники питания.

Помимо измерительных приборов электреты применяются в электродвигателях. Существует большое количество моделей электродвигателей на электретах. В данной статье представлены модели электродвигателей наиболее подходящих для нефтегазовой отрасли.

В 1960 г. ФИАН была разработана модель электродвигателя, конструкция которого состоит из ротора с пластинками электретов, плоских конденсаторов и источника постоянного тока. «При вращении ротора пластинки электретов входят и выходят из зазора между обкладками конденсаторов» [5, с. 123]. Пластинки электретов проходят через обкладки конденсаторов посредством переключателя питания от источника постоянного тока конденсаторов. Поэтому вал двигателя с электретами поворачивается с частотой, которая задается переключателем и источником напряжения. Такой электродвигатель при небольших затратах энергии может достигать большой частоты вращения.

«В 1961 г. В. В. Манойлов и О. О. Мяздриков предложили конструкцию электретного синхронного двигателя, который питается трёхфазным переменным напряжением» [5, с. 123].

Существуют электродвигатели, работающие от атмосферного электричества. Автором такого электродвигателя является профессор О. Ефименко. Преимуществом таких электродвигателей является то, что они работают без батарей, недостатком – малая мощность.

Главное преимущество всех электродвигателей на электретах в том, что в их конструкции не содержится громоздких обмоток и сердечников из железа и меди, а это значительно облегчает массу конструкции электродвигателя.

В настоящее время электретный эффект активно используется в противокоррозионных покрытиях. Противокоррозионные термоэлектретные покрытия отслаиваются гораздо медленнее, чем неэлектретные, засчет контактирования подложки с поверхностью, имеющей отрицательный заряд. Такие противокоррозионные покрытия позволяют продлить срок службы технологического оборудования (емкостей, насосов, сепараторов и т. п.) нефтегазовой промышленности.

Таким образом, электреты являются высокотехнологичным, экономичным и перспективным решением для применения в нефтегазовой отрасли.

Список литературы:

1. Авторское свидетельство СССР №4946030/25, 26.04.91.Г. К. Новиков, М. С. Мецик, Л. Н. Новикова. Электретный дозиметр ионизирующего излучения // Авторское свидетельство СССР №1824604. 1993. Бюл. №24.
2. Галиханов М. Ф. Полимерные короноэлектреты: традиционные и новые технологии и области применения // Вестник Казанского технологического университета / М. Ф. Галиханов, Р. Я. Дебердеев // ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технологический университет». – 2010. – №4. – С. 45-57.
3. Губкин А. Н. Электреты: электретный эффект в твердых диэлектриках. – М.: Наука, 1978. – 192 с.
4. Электреты: проблемы прикладной физики / [под ред. Г. Селлера]. – пер. с англ. – М.: Мир, 1983. – 487 с.
5. Электрические машины специальных конструкций и принципов действия / [под ред. Ю. С. Коробкова, В. Д. Флора]. – Запорожье: Информационная система iElectro, 2011. – 254 с.