3.2 Свойства нефти и нефтепродуктов в силовых полях

Названная группа свойств устанавливается путем испытаний, проводимых в основном в закрытых системах, где возможен обмен энергией с внешней средой, но не происходит обмена веществом. Этим условиям отвечает проведение оценок характеристик в соответствующих полях. Сами по себе поля характеризуются напряженностью и структурой. Возмущения (изменения в состоянии среды или поля), распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью, называют волнами. Распространение волн связано с переносом ими энергии. При этом возможны явления отражения, преломления, поглощения, рассеяния, дисперсии, интерференции

Основными силовыми полями в макросистемах являются электрическое, магнитное, поле упругих сил.

В общем случае интерес представляют две группы свойств:

1. В относительно слабых полях

2. В очень сильных поля, когда определяется разрушающее систему воздействие

3.2.1 Электрические свойства нефти и нефтепродуктов

Под электрическими свойствами нефтепродуктов обычно понимают явления, возникающие в них под воздействием электричества. Все они являются показателями качества нефтепродуктов, обусловливающими их применение у потребителей (в трансформа­торах, конденсаторах, выключателях высокого напряжения, маслонаполненных кабелях, при перекачках и т. д.).

Интерес представляют две группы свойств. Первая обычно определяется по характеристикам в слабых электрических полях. К этой группе относятся диэлектрическая проницаемость, коэффициент диэлектрических потерь, статическая электризация.

Ко второй группе относятся характеристики, играющие существенную роль в очень сильных электрических полях. Это, прежде всего, электрическая проводимость, напряжение пробоя и дугостойкость.

Свойства первой группы непосредственно связаны с химическим строением вещества, а оценка свойств второй группы существенно усложняется за счет дополнительного влияния самих методов определения этих свойств.

Диэлектрическая проницаемость (относительная) непроводящих материалов представляет собой отношение емкостей плоского конденсатора, измеренных при наличии и отсутствии данного диэлектрика между пластинами конденсатора. Различие между емкостями в двух указанных случаях обусловлено явлением поляризации диэлектрика в электрическом поле.

Диэлектрическую проницаемость  неполярного материала можно выразить через показатель преломления n с помощью уравнения Максвелла:  = n²

Следует сравнивать значения этих двух величин, измеренных при одной частоте. Однако диэлектрическую проницаемость измеряют обычно при относительно низких частотах (10²-10⁶ Гц), тогда как показатель преломления определяется в диапазоне частот видимого света. Но даже простое сравнение этих величин дает полезную информацию.

Диэлектрическая проницаемость различных нефтей неодинакова, хотя её значения колеблются в узких пределах. Она зависит от состава и степени дисперсности нефти, температуры, давления, частоты электрического поля, а также от предварительной термической обработки, влажности нефти и других условий. Кривая изменения диэлектрической проницаемости с увеличением частоты поля имеет либо экстремальный характер (для дисперсной системы), либо монотонно убывающий характер. Нефти многих месторождений имеют максимальное значение диэлектрической проницаемости при температуре начала их структурирования. Интересно, что такая же закономерность изменения диэлектрической проницаемости характерна для дизельного топлива и газового конденсата.

Алканы обладают наименьшей диэлектрической проницаемостью. При переходе к аренам она повышается. Диэлектрическая проницаемость нефтяных фракций увеличивается с повышением их температур кипения. Нефтяные остатки содержат много гетероатомных полярных элементов, поэтому диэлектрическая их проницаемость выше, чем диэлектрическая проницаемость дистиллятных фракций, и увеличивается с повышением в них содержания смолисто-асфальтеновых веществ.

Нефтепродукты, как правило, являются хорошими диэлектриками. Их электропроводимость - величина, обратная электрическому сопротивлению – очень малая величина: для чистых и сухих нефтепродуктов лежит в интервале от 210^-10 до 310^-18 (Ом  см)^-1. Удельная электропроводность нефтяных фракций изменяется в широких пределах. По этому показателю, например масляные фракции, находятся между диэлектриками и полупроводниками.

Поскольку нефть и её фракции являются диэлектриками, они легко электризуются при перекачке, перемешивании, заполнении резервуаров. Возникший электрический заряд накапливается, если его рассеивание происходит медленно. Накопление заряда происходит, как правило, на границе раздела фаз. Электровозбудимость - свойство нефтепродуктов (как и всех диэлектриков) накапливать и удерживать статический электри­ческий заряд, возникающий от трения при их движении. Величина такого заряда может достигать сотни вольт, и это может стать причиной взрыва или пожара, если от этого заряда воз­никнет искра в паровоздушной среде.

В возникновении статического электричества определенную, но не решающую роль играет скорость перекачки и геометрические размеры труб, однако плотность заряда увеличивается в десятки раз, если топливо проходит через перегородки или имеет различные примеси. Для предупреждения электризации топлив в них вводят антистатические присадки, повышающие электрическую проводимость систем. Обычно это нафтенаты хрома и кобальта, хромовые соли синтетических жирных кислот, а также соли четвертичных аммониевых оснований. Качество нефтепродукта с добавленным антистатиком характеризуют удельной электрической проводимостью, так как именно эта величина определяет возможность электризации.

Диэлектрическая прочность, или пробивное напряжение, - это минимальное напряжение электрического тока, при котором между двумя дисками (диаметром 25 мм) электродов, помещен­ными в нефтепродукт на расстоянии 2,5 мм друг от друга, проскакивает электрическая искра. Этот показатель очень важен для всех электрических аппаратов высокого напряжения, заполненных нефтепродуктом, так как он определяет их безопасную и устойчивую работу.

Величина пробивного напряжения зависит от многих факто­ров, таких как химический состав нефтепродукта (наличие в нем полярных соединений), содержание влаги, содержание ме­ханических примесей (пыль, волокна и т. д.), температура, дав­ление.

Наличие полярных соединений в масле (например, смол) снижает пробивное напряжение. Особенно резко оно снижается от присутствия влаги. Так, если для абсолютно сухого масла пробивное напряжение достигает значения 200 - 210 кВ/см, то при влажности масла 0,002% (мае.) оно снижается почти вдвое (120 кВ/см), а при влажности 0,01% (масс.) достигает 35 - 40 кВ/см и далее (до влажности 0,1%) меняется незначительно.

Влияние температуры нефтепродукта на пробивное напряже­ние имеет экстремальный характер: до температур 60 - 80°С оно растет (например, для масла от 80 до 160 кВ/см), а при дальнейшем повышении температуры - медленно снижается (до 100 кВ/см при температуре 150 - 160°С).

Повышение давления способствует увеличению пробивного напряжения, а под вакуумом оно ниже, чем при атмосферном давлении.

Для масел, используемых в трансформаторах, пробивное на­пряжение не должно быть ниже 40 кВ/см, а в маслонаполненных кабелях - не ниже 150 кВ/см.

Тангенс угла диэлектрических потерь (ТУДЭП) - показатель изоляционных свойств масел, используемых в трансформаторах, конденсаторах и кабелях высокого напряжения.

Известно, что при прохождении электрического тока по про­воднику в среде диэлектрика происходит нагрев последнего за счет электрического поля вокруг проводника тока.

Электрическая энергия, затрачиваемая на нагрев окружаю­щего диэлектрика (изоляции), называется диэлектрическими потерями. Эти потери зависят от электропроводных свойств масел и в частности от наличия в них полярных веществ, на поляризацию молекул которых в основном идут потери элек­троэнергии. Чем глубже очищено масло от полярных соедине­ний (смол, асфальтенов, высокомолекулярных ароматических гетероатомных веществ), тем меньше диэлектрические потери в масле. ТУДЭП, норми­руемый для электроизоляционных масел и зависящий от темпе­ратуры: он возрастает с ростом последней. Для трансформатор­ных масел ТУДЭП при 90°С должен составлять не более 0,5, а для кабельных масел (разных марок) при 100°С - от 0,01 до 0,003.