Индекс цитирования Яндекс.Метрика

Люди практической науки

14.06.2016

Наша задача-защита от коррозии

Интервью с доктором технических наук, главным научным сотрудником лаборатории «Климатические, микробиологические исследования и пожаробезопасность материалов» ВИАМ Анатолием Лаптевым.

Научная деятельность Анатолия Борисовича Лаптева связана с вопросами защиты оборудования и изделий от коррозии, старения и биоповреждения. Он разработал большое количество специальных реагентов для защиты от коррозии в пластовых водах, в почве и атмосфере, для предотвращения отложения солей и асфальтенов, подавления жизнедеятельности микроорганизмов-биодеструкторов, предотвращения возгорания пирофорных отложений, реагентов для поглощения сероводорода. Созданная им теория магнитогидродинамической обработки потоков водных сред и ее практическая реализация в виде устройств для магнитогидродинамической обработки позволила, в значительной степени, снизить эффективные концентрации вышеперечисленных реагентов.

От трубопровода до авиации

Я родился в Башкирии в самый расцвет Советского Союза – в 1965 году. Приметой того времени было чтение. Родители выписывали по 5-6 газет и несколько журналов. Из всего многообразия литературы я выбирал, конечно, то, что было интересно. Сначала журнал «Юный техник», по мере взросления – «Техника молодежи», потом «Наука и жизнь» и самый интересный в ту пору журнал «Химия и жизнь».

В средней школе в Уфе меня определили в специально сформированный для успевающих учеников математический класс. Уже тогда детей отбирали по конкурсу и готовили к поступлению, правда, исключительно в технические вузы. Стандартная для тех лет учебно-производственная практика школьников на заводе, швейной фабрике или в столовой для математического класса была заменена курсами программирования. Ученики ходили в Уфимский авиационный институт, где набивали программы на перфокартах, запускали их в машину и получали или не получали желанный результат.

Помню, в институте на этаже около зала с ЭВМ висели образцы курсовых работ по специальности «Авиационные двигатели». Один вид этих листов формата А0 (один квадратный метр), а их там было сразу 4-5, с начерченным в разрезе авиационным двигателем приводил меня в трепетный ужас. Это настолько мелкий чертеж, и настолько скрупулезная, масштабная работа! Пять квадратных метров испещрено тончайшими линиями: с размерами, с допусками, с посадками. При этом чертежи требовалось выполнять тушью. Для меня это был пример какого-то подвига, титанической работы, до которой тогда я просто не дорос. Поэтому поступил не в авиационный, а в нефтяной институт на вновь открывшуюся и очень перспективную, как тогда считалось, специальность «Химическое сопротивление материалов и защита от коррозии».

Кафедра «Технология конструкционных материалов», на которой была открыта эта специальность, вела активную научную и практическую деятельность. Основные работы проводились по определению причин разрушения трубопроводов и оборудования газовых промыслов. В 1980-е годы кафедра была оснащена самым передовым оборудованием – от 100-тонных разрывных машин до рентгеновского и электронного сканирующего микроскопов. Теория механо-химического разрушения металлов, открытая и разработанная заведующим кафедрой Иммануилом Марковичем Гутманом, давала объяснение многим фактам разрушения конструкционных материалов при одновременном воздействии механических нагрузок и коррозионных сред.

На втором курсе куратор нашей группы Виктор Васильевич Кравцов бросил клич: «Кто хочет заниматься наукой – подходите ко мне!». Разумеется, в числе желающих оказался и я. В вузах для научной и практической работы активно привлекали студентов, которые помогали дипломникам, дипломники помогали аспирантам, те, в свою очередь, докторантам. Таким образом, ширилась и развивалась кузница научных кадров. Первой моей задачей стала разработка способа покрытия сварных стыков эмалированных по внутренней поверхности трубопроводов. Затем было проектирование устройств для зачистки и травления внутренней поверхности труб, нанесение лакокрасочных покрытий с механо-химической обработкой поверхности.

Я гордился тем, что советский электрод оказался лучше зарубежных аналогов

Интересно было работать под руководством Сергея Николаевича Давыдова над дипломным проектом «Определение коррозионной стойкости сварных стыков низколегированной стали, выполненных различными электродами, отличающимися по составу металла и обмазки». Среди большого разнообразия электродов немецких и японских марок лучшим по равномерности электродного потенциала и микроструктуре оказался советский электрод МР-3 с рутиловой обмазкой. Для меня это было очень важно.

После окончания института по распределению я поехал работать на Север, где занимался обслуживанием и восстановлением электрохимической защиты газопровода от подземной коррозии. Затем работал на нефтеперерабатывающем заводе – предотвращал коррозию шлемовых линий колонн установок АВТ и каталитического крекинга. В 1990-м году был принят в аспирантуру Уфимского нефтяного университета, где разрабатывал ингибиторы коррозионно-механического разрушения сталей в сероводородсодержащих средах, занимался изготовлением внутренней футеровки химических реакторов нанесением стеклопластикового покрытия, дублированного фторопластом. С 2003 года работал региональным представителем американской компании Nalco, в которой осваивал применение реагентов для защиты от коррозии, отложения солей, загрязнения коксовыми и полимерными отложениями установок для получения этилена, газофракционирующих установок, ректификационных колонн и другого оборудования в Уфе, Казани, Томске, Буденновске, Тобольске, Йошкар-Оле, Волгограде. Непосредственно перед началом работы в ВИАМе был главным инженером компании по реагентной обработке систем охлаждающей, сточной и котловой воды с той же целью – защита от коррозии, старения и биоповреждения оборудования.

Длительная разработка месторождений, вытеснение нефти водой, взятой из поверхностных источников, привело к заражению нефтеносных горизонтов анаэробными сульфатвосстанавливающими бактериями. Они выделяют сероводород, который опасен не только как ядовитый газ для людей, но и очень опасен для стали. Сероводородная коррозия чревата не столько потерей металла и снижением толщины стенки оборудования и трубопроводов, сколько наводораживанием. То есть при коррозии водород проникает в кристаллическую решетку металла, металл становится хрупким, ломким и буквально разрывается – появляются трещины до 5-10 метров длины трубопровода.

Моя кандидатская диссертация, которую под руководством Дмитрия Ефимовича Бугая я успешно защитил в 1996 году, была посвящена вопросам разработки ингибиторов коррозионно-механического разрушения стали в минерализованных сероводородных средах на основе ацеталей и их аналогов.

Вопросы защиты от коррозии, старения и биоповреждения материалов в промышленности очень интересны и разнообразны, но главным фактором для этих процессов является вода. Проведенные в Уфимском нефтяном институте эксперименты по влиянию магнитных полей на скорость коррозии трубопроводов дали положительный эффект. Теории влияния магнитного поля на воду, выдвигаемые Классеном, Мирзаджан-заде и Сагдеевым, не объясняли причин снижения коррозионной активности воды и, что наиболее важно, не позволяли проводить инженерные расчеты аппаратов для достижения максимального эффекта.

Многочисленные эксперименты по влиянию магнитных полей различной конфигурации и интенсивности позволили мне выдвинуть идею магнитогидродинамической обработки воды, которая расставила все на свои места: индуцируемый в магнитном поле электрический ток вызывает движение ионов, приводит к направленному перемещению заряженных частиц и позволяет проводить те или иные химические превращения. Разработка специализированных аппаратов магнитогидродинамической обработки (МГДО) с использованием разработанной теории и их апробация решила ряд проблем: позволила снизить коррозионную активность воды, предотвратить выпадение солей жесткости, позволила расслаивать водонефтяные эмульсии и даже уничтожать сульфатвосстанавливающие бактерии.

В 2008 году я защитил докторскую диссертацию на основе этих работ.

В ВИАМе создан реальный механизм трансформации идей в материалы

В ВИАМ, которым руководит Генеральный директор, академик РАН Евгений Николаевич Каблов, я пришел в 2014 году. Даже первое впечатление от института вызывало благоговение – это научная организация, какой она должна быть, то есть для каждого ученого, изобретателя и просто человека самым важным является перспектива воплощения своих идей, мыслей, изобретений в реальный продукт. Большинство университетов и институтов занимаются «теоретизированием», так как не существует работоспособных механизмов внедрения результатов научной деятельности – каждый внедряет, как может. В ВИАМе же создан реальный механизм трансформации идей в материалы, создана исследовательская и производственная база мирового уровня. И ощущение своей причастности к этому институту позволяет не только видеть результат, но и видеть гораздо шире и масштабнее. Активная позиция Генерального директора, его замов, начальника Испытательного центра Алексея Николаевича Луценко, постоянное общение с научным сообществом, промышленными предприятиями позволяет объединять усилия и возможности и решать масштабные научно-технические задачи во всех отраслях промышленности, а не только в авиации.

В общем, подготовка к полноценному выполнению обязанностей на новом рабочем месте обязывала ко многому. Поэтому важным было определить основной вектор деятельности, и я для себя сформулировал: общее ускорение технического прогресса касается всех сфер жизни. Печатная продукция и всевозможная тара и упаковка должны быть быстро и безопасно утилизированы или иметь способность к биоразложению. Бытовые приборы и технику, компьютеры и всевозможные гаджеты можно менять ежегодно и не заботиться об их ремонте. Однако человеком создаются изделия и конструкции, требующие длительной и безопасной эксплуатации, – авиационная техника, морские и речные суда, железнодорожный транспорт, мостовые и портовые сооружения, здания и жилые дома. Минимальный срок эксплуатации колеблется в пределах от 20 до 100 лет. Из исследований известно, что потери от естественного разрушения только по причинам коррозии составляют около 3 % валового продукта развитых стран. Для Российской Федерации это составляет более 100 млрд рублей в год. Потери от коррозии обусловлены не только внешними факторами, конструктивными особенностями, эксплуатационными факторами, но и зависят от человека – на всех стадиях разработки, проектирования, создания, эксплуатации и утилизации изделий техники и сложных технических систем. Усилия государства, направленные на научные исследования, разработку нормативной документации и обучение инженерно-технического персонала, позволят на четверть уменьшить потери от коррозионного фактора.

Наиболее важным этапом в создании техники является назначение ее климатического исполнения. Климатическое исполнение показывает, в каком климате и при воздействии каких внешних факторов может работать тот или иной материал или изделие в течение длительного периода времени. Предварительное определение климатического исполнения материала позволяет не только обеспечить безопасную эксплуатацию в заданный период времени, но и значительно сэкономить: в Арктике не нужны материалы для тропиков, например покрытия, стойкие к плесневым грибам, и, наоборот, в тропиках не нужны морозостойкие покрытия.

В настоящее время достаточно подробно прописаны методы тестирования и допуска к эксплуатации оборудования опасных производств, где металл контактирует с чрезвычайно агрессивными средами. Коррозия же и старение в атмосфере под действием климатических факторов происходят медленнее, последствия не приводят к масштабным катастрофам и не так опасны для экологии, жизни и здоровья людей. Однако в масштабах страны именно медленная деградация материалов под действием климатических факторов приводит к многомиллиардным потерям.

Изменение климата, наблюдаемое во всем мире, приводит не только к более теплой погоде, но вместе с тем увеличивается влажность, количество осадков, повышается скорость ветра. Растет количество природных катаклизмов, происходит ужесточение влияния климатических факторов, таких как солнечная радиация, влажность, осадки. Наблюдается значительное усиление механических нагрузок от ветра, снега, сейсмической активности. То есть климат становится все более агрессивной средой, и климатические испытания материалов с годами приобретают все большую актуальность.

Да! Коррозия, старение и биоповреждения – это факторы естественного превращения продуктов, созданных человеком из руды, дерева, нефти, обратно в тлен. Задача по определению интенсивности этого процесса в зависимости от климатических условий и эксплуатационных факторов позволит обеспечить, с одной стороны, безопасность эксплуатации изделий и конструкций в течение длительного времени, а с другой – запланировать и обеспечить саморазложение, например, упаковочных материалов.

За решение этих и других вопросов в ВИАМ отвечает лаборатория климатических испытаний, которой руководит Сергей Львович Барботько. Кроме сектора климатических испытаний во главе с Евгением Владимировичем Николаевым, в нее входят еще сектор пожарной безопасности (руководитель сам Сергей Львович) и сектор микологии под руководством Анастасии Александровны Кривушиной. То есть лаборатория многопрофильная и может исследовать изменение свойств материалов не только при воздействии климатических факторов, но и оценить воздействие организмов-биодеструкторов, а также пламени.

Как главный научный сотрудник считаю своей целью как можно более точное прогнозирование ресурса материала в изделии для безопасной эксплуатации воздушного судна.

Наука сейчас постоянно балансирует, чтобы обеспечить безопасность и в то же время экономическую целесообразность. Эти так называемые риски рассчитываются и приняты как основополагающие во многих отраслях. Основная задача – ввести понятие оценки рисков в ресурс работы материала в конструкции воздушного судна. Если мы будем оценивать не только его стабильность и качество, но и стоимость, то это единственный путь к победе в конкурентной борьбе.

У лаборатории климатических испытаний материалов ВИАМ – большое будущее

Все мы следим за изменением погоды, сетуем на дождь, сугробы, ветер, но мы воспринимаем погоду с точки зрения – брать или не брать зонтик? Климатические испытания материалов – это тоже влияние погоды, только на материалы и изделия. Самые лучшие с практической точки зрения климатические испытания материалов проводятся в естественных условиях – на площадках с различными типами климата, например в морозной Якутии, в субтропическом Сочи, во влажном Мурманске или в Москве, где температура в основном прыгает около ноля градусов. Для прогнозирования мы должны отталкиваться от экспериментов. В лаборатории даже самая лучшая климатическая камера никогда не сможет досконально смоделировать климат той же Арктики. Условия в камере можно задать любые – но они реально будут отличаться.

С каждым годом материалы совершенствуются, испытания требуют больше времени, и поэтому в последние 20 лет все большая часть испытаний проводится в климатических  камерах, где моделируются наиболее жесткие погодные условия. Потребителя пока мало интересует стабильность материала. Например, когда мы покупаем краску для фасада дома, то смотрим на цвет и стоимость и не знаем (а производители и не пишут), когда эта краска выцветет или облезет. Однако понимание, что краска должна служить дольше, возникает в момент, когда дом надо опять перекрашивать. И мы начинаем искать на банке надпись «светостойкая» или по наитию хотим выбрать что-то более долговечное и качественное. Испытания в климатической камере выявляют срок службы материала под воздействием одного-двух факторов, например, влажности и температуры, ультрафиолета и влажности, но учесть все «капризы» погоды невозможно. В натурных условиях самолет подвергается не только увлажнению, когда стоит под дождем на земле, но и «сохнет», когда летает при температуре минус 50 градусов и пониженном атмосферном давлении. Один самолет базируется в Сочи, другой в Якутии, один летает два раза в день, другой один раз в неделю. В общем, в реальности всегда находятся факторы, которые мы учесть не можем.

Как определить срок службы одного и другого самолета, чтобы точно указать даты осмотра, профилактических работ и ремонта? Ведь это позволит снизить издержки перевозчиков. В настоящее время мы пытаемся ответить на эти и многие другие вопросы, которые сводятся к созданию единой методологии, инфраструктуры проведения климатических испытаний материалов и конструкций, разработке образовательных дисциплин для обучения и подготовки кадров. Специалисты должны обеспечить точное прогнозирование срока службы материала, изделия и конструкции в том или ином климате с учетом эксплуатационных нагрузок и внешних воздействующих факторов. В масштабах страны, конечно, ведь это ВИАМ!

Существует, но в лаборатории пока недостаточно используется научный инструментарий, позволяющий оптимизировать исследования. Во-первых, это так называемые методы планирования эксперимента, которые позволяют с помощью постановки серии реперных экспериментов оценить все многообразие воздействия. В свое время я занимался разработкой ингибиторов коррозии. При испытаниях нужно было протестировать несколько соединений в разных сочетаниях. Переход на планирование эксперимента позволил оптимизировать задачу и из тысяч возможных экспериментов провести всего 8-16-32 в зависимости от количества ингредиентов смеси. То есть добиться меньшими силами большего результата. Именно эту идею сегодня мы с коллегами намерены воплотить с помощью Российского фонда фундаментальных исследований.

Во-вторых, можно применять созданную в СССР программу ТРИЗ – теорию разрешения изобретательских задач. Она описывает алгоритмы, с помощью которых можно изобрести любую вещь, решить любую изобретательскую задачу. ТРИЗ приводит порядка 5000 возможных физических эффектов, которые можно использовать для реализации того или иного изобретения. С помощь алгоритма этой программы можно подбирать решения гораздо быстрее.

И, конечно, «селекция» в науке. Любая популяция в животном мире существует, если количество особей одного вида в ней больше 1000. Если транслировать эту цифру на профессиональную деятельность человека, то цифра примерно та же. В любой отрасли знаний накапливается массив навыков и умений, которые передаются не через интернет или книги, а только непосредственным наставничеством. Как упоминалось выше, советская система включала цепочку «студент-дипломник-аспирант-докторант», где шел непрерывный отбор и своеобразная «селекция». В аспиранты попадал каждый десятый дипломник, в докторанты – каждый десятый аспирант. Иными словами, должно быть соревнование на каждом этапе подготовки кадров, должны быть перспективы роста в профессии и вширь и, главное, вверх – до «министра по коррозии».

Пик развития коррозионной науки пришелся на 80-е годы XX века, когда коррозия, старение и биоповреждения были выделены в отдельную отрасль, возглавляемую академиком АН СССР Я.М. Колотыркиным. Были открыты профильные специальности, разработано большое количество основополагающих государственных стандартов, открыты лаборатории коррозии на многих предприятиях. Конечно, «к прошлому возврата больше нет», но хочется, чтобы вопросы климатической стойкости материалов рассматривались на государственном уровне. А мы в рамках лаборатории климатической стойкости материалов, надеемся, займем достойное место в этой структуре.

Список основных публикаций А.Б. Лаптева:

  1. Лаптев А.Б., Барботько С.Л., Николаев Е.В., Скирта А.А. Обработка результатов климатических испытаний стеклопластиков. Пластические массы. 2016. № 3,4. С. 58–62.
  2. Курс М.Г., Лаптев А.Б., Кутырев А.Е., Морозова Л.В. Исследование коррозионного разрушения деформируемых алюминиевых сплавов при натурно-ускоренных испытаниях. Часть 1.  «Вопросы материаловедения». 2016. № 1(85). С. 116–126.
  3. Ахияров Р.Ж., Лаптев А.Б., Мовенко Д.А., Белова Н.А. Исследование аномально низкой коррозионной стойкости трубной стали теплообменной аппаратуры для нефтепереработки. Нефтяное хозяйство. 2016. № 1. С. 118–121.
  4. Ахияров Р.Ж., Ибрагимов И.Г., Лаптев А.Б., Латыпов О.Р., Бугай Д.Е., Алаев А.А. Оценка экономической эффективности комплексной подготовки воды на предприятиях нефтедобычи. НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов», изд. ИПТЭР, т. 2 (76), Уфа. 2009. С. 58–64.
  5. Рахманкулов Д.Л., Бугай Д.Е., Габитов А.И., Голубев М.В., Лаптев А.Б., Калимуллин А.А. Ингибиторы коррозии. Том 1. Основы теории и практики применения. Уфа: гос. издат. науч.-техн. литературы «Реактив», 1997. 296 с.
  6. Тюсенков А., Лаптев А.Б., Бугай Д. Электризация нефти. Проблемы, методы, решения. Saarbrucken, 2013. 80 с.
  7. Ахияров Р.Ж., Навалихин Г.П., Лаптев А.Б., Бугай Д.Е. Снижение коррозионной активности водной фазы промысловых сред путем их магнитогидродинамической обработки. Башкирский химический журнал. 2006. Т. 13. № 2. С. 23–25.
  8. Кононов Д.В., Лаптев А.Б., Ахияров Р.Ж., Бугай Д.Е. Повышение безопасности эксплуатации водооборотных систем промышленных предприятий путем регулирования ионного состава водной среды. Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2013. № 2 (92). С. 100–106.
  9. Черепашкин С.Е., Лаптев А.Б., Бугай Д.Е., Абдуллин И.Г. Коррозия нефтепроводов при магнитной и акустической обработке флюидов. Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2003. № 5. С. 85–91.
  10. Кононов Д.В., Лаптев А.Б., Бугай Д.Е. Опытно-промышленные испытания устройства для регулирования ионного состава воды в водооборотной системе НПЗ. Академический журнал Западной Сибири. 2013. Т. 9. № 4. С. 16–17.
  11. Ибрагимов Н.Г., Лаптев А.Б., Шайдаков В.В., Хайдаров Ф.Р., Емельянов А.В., Голубев М.В., Каштанова Л.Е., Чернова К.В., Бугай Д.Е., Хафизов А.Р. Осложнения в нефтедобыче. Уфа: ООО «Издательство научно-технической литературы «Монография», 2003. 302 с.

Интервью подготовила и провела Светлана Офитова