close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

uploaded 0C5BB42314

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ГЛУШКО Андрей Николаевич
ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ
CALS-СИСТЕМЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МЕНЕДЖМЕНТА
КАЧЕСТВА ХИМИЧЕСКИХ ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫХ
МАТЕРИАЛОВ И ДОРОЖНЫХ ПРОПИТОК
05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации
(в химических технологиях, нефтехимии)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой
степени кандидата технических наук
Иваново – 2013
2
Работа выполнена в Учебно-научном центре «CALS-химия»
Федерального государственного унитарного предприятия
«Государственный ордена Трудового Красного Знамени
научно-исследовательский институт химических реактивов
и особо чистых химических веществ» (ФГУП «ИРЕА»)
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Бессарабов Аркадий Маркович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Баранов Дмитрий Анатольевич
(ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный
университет», заведующий кафедрой «Процессы и аппараты химической технологии»)
Волынский Владимир Юльевич
(ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный
химикотехнологический
университет»,
профессор кафедры экономики и
финансов)
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный
университет
геодезии
и
картографии»,
г. Москва
доктор технических наук
Защита диссертации состоится « 24 » декабря 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.063.05 при Ивановском
государственном химико-технологическом университете по адресу:
153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7, ауд. Г-205.
Тел.(факс): (4932) 32-54-33. E-mail: dissovet@isuct.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского
государственного химико-технологического университета по адресу:
153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.
Автореферат разослан
Ученый секретарь
диссертационного совета
Д 212.063.05
"_22 " ноября 2013 г.
Зуева Галина Альбертовна
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Непрерывный рост автомобильного парка, увеличение
объема грузооборота и перевозок пассажиров предъявляют все более жесткие требования к содержанию автомобильных дорог и улиц, а также обеспечению безопасности движения по ним. Решение этих проблем связано с двумя комплексами
задач: борьба с зимней скользкостью с применением противогололедных реагентов (ПГР) и поддержание дорожных покрытий в оптимальном состоянии с помощью специализированных пропиток, предотвращающих старение и износ дорожного полотна. Для практической реализации этих задач необходимо разработать
соответствующие проблемно-ориентированные системы компьютерного менеджмента качества, позволяющие на высоком уровне проводить аналитические исследования в области создания и использования продуктов дорожной химии.
Цель работы состоит в разработке с использованием информационного
CALS-стандарта ISO-10303 проблемно-ориентированных систем компьютерного
менеджмента качества противогололедных реагентов и пропиточных составов
для дорожных покрытий. Основными задачами, решаемыми в работе, являются
системные исследования и разработка на основе CALS-технологий трех взаимосвязанных программных комплексов компьютерного менеджмента качества:
 аналитический мониторинг химических противогололедных реагентов;
 экологический мониторинг влияния противогололедных реагентов на компоненты окружающей среды;
 аналитический мониторинг пропиточных составов для дорожных покрытий.
Научная новизна работы:
1. Выделены ключевые факторы, влияющие на качество автодорожной инфраструктуры. Установлены закономерности их взаимодействия на различных
уровнях иерархии. С помощью метода декомпозиции построена многофакторная модель качества автодорожной инфраструктуры. Показаны место и роль
материалов дорожной химии в разработанной иерархической системе.
2. Впервые разработана и совместно рассмотрена многоуровневая структура
аналитического мониторинга химических противогололедных реагентов и дорожных пропиток для использования на поверхности асфальтобетонного покрытия в
зимнее и летнее время. Системные исследования позволили выделить кластерную
архитектуру показателей качества рассматриваемых продуктов дорожной химии и
разработать типовую структуру взаимосвязи каждого показателя с соответствующими методами аналитического контроля и аналитическим оборудованием.
3. Разработана архитектура информационной системы для компьютерного
менеджмента качества (КМК-системы) химических противогололедных реагентов в следующих информационных сечениях: химический состав; показатели
качества; методы анализа; аналитическое оборудование. Разработана структура
18 показателей качества по 4-м информационным кластерам: органолептические, физико-химические, технологические и экологические.
4. Разработана архитектура системы экологического мониторинга влияния
противогололедных реагентов на компоненты окружающей среды (снежный
покров, водные объекты и грунтовые воды; почвенный покров; зеленые насаждения; атмосферный воздух). Для рассматриваемых экологических компонент
введена типовая структура ПГР, для каждого из которых в архитектуру системы введены 6 важнейших индикаторов качества, характеризующих степень
воздействия конкретного ПГР на выбранный объект окружающей среды. По
всем индикаторам качества предложены соответствующие методы анализа и
аналитическое оборудование.
5. Для компьютерного менеджмента качества дорожных пропиток разработана архитектура информационной системы по двум целевым классам: восста-
4
навливающие и защитные. Для каждого класса пропиток выделены две основные подкатегории («битумные, нефтяные масла», «битумные, полимерные»), по
которым сгруппированы пропитки соответствующих химических составов, характеризующихся совокупностью показателей качества. Проведена группировка 32 показателей качества по предложенным нами 6 информационным кластерам. По каждому показателю в архитектуру системы введены наиболее перспективный метод анализа и аналитическое оборудование.
Методы исследований. В работе использованы методы системного анализа и компьютерного менеджмента качества. При разработке программных комплексов применялось проблемно-ориентированное программирование на основе CALS-технологий. Определение показателей качества, заносимых в КМКсистемы, проводилось современными аналитическими методами.
Достоверность научных и практических результатов, сформулированных
в диссертации, обусловлена использованием высокоточных исходных данных,
наиболее современной системой компьютерной поддержки (CALS-технология)
а также практической реализацией результатов работы.
Практическая ценность:
1. Результаты системного анализа использованы при разработке на базе
информационных CALS-технологий трех программных комплексов компьютерного менеджмента качества: аналитического мониторинга химических противогололедных реагентов; экологического мониторинга влияния противогололедных реагентов на компоненты окружающей среды; аналитического мониторинга пропиточных составов для дорожных покрытий. КМК-системы внедрены
в Аналитическом испытательном центре и Центре коллективного пользования
научным оборудованием ФГУП «ИРЕА». Практическая значимость проведенных системных исследований подтверждена патентами.
2. Программные модули КМК-систем аналитического мониторинга вошли
в Государственный контракт Минобрнауки России ГК 16.552.11.7010 «Развитие
центром коллективного пользования научным оборудованием комплексных исследований в области разработки новых методов контроля качества…»;
3. Полученные по экологическому мониторингу результаты вошли в договора
Департамента природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы «Выполнение работ по экспертно-методическому сопровождению и ведение мониторинга воздействия противогололедных реагентов на состояние природных сред».
Для Департамента ЖКХ и благоустройства г. Москвы были проведены комплексы
системных теоретических и экспериментальных исследований по договорам на
НИР и Государственным контрактам «Проведение испытаний противогололедных
реагентов на соответствие техническим требованиям по условиям поставки».
4. Самостоятельное практическое значение, подтвержденное соответствующими актами о внедрении, имеют следующие комплексы работ: для Департамента ЖКХ и благоустройства г. Москвы проведены системные аналитические
исследования противогололедных реагентов и дорожных пропиток; Российскому
союзу химиков предложены методические основы формирования ассортимента
противогололедных реагентов и дорожных пропиток, позволяющие загрузить
основные производственные фонды предприятий химической и нефтехимической промышленности; разработаны новые составы жидкого и твердого противогололедных реагентов для постановки на производство в ОАО «Минеральнохимическая компания ЕвроХим».
Автор защищает:
1. Теоретическую модель качества автодорожной инфраструктуры.
2. Разработку КМК-системы аналитического мониторинга химических противогололедных реагентов.
3. Разработку КМК-системы экологического мониторинга влияния противо-
5
гололедных реагентов на компоненты окружающей среды.
Разработку КМК-системы аналитического мониторинга пропиточных составов для дорожных покрытий.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на X Международной научно-практической конференции «Партнерство бизнеса и образования в инновационном развитии региона», (Тверь, 2011), XXV и XXVI Международных научно-технических конференциях «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии»
(РЕАКТИВ-2011; РЕАКТИВ-2012), (Уфа, 2011; Минск, 2012), Международной
научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии-2012»,
(Тула, 2012), XXV Международной научной конференции «Математические
методы в техни-ке и технологиях» (ММТТ-25), (Волгоград, 2012), Шестой,
Седьмой международной конференции «Управление развитием крупномасштабных систем» (MLSD'2012, MLSD'2013), (Москва, 2012, 2013), VIII Международном конгрессе молодых ученых по химии и химической технологии
«UCChT-2012-МКХТ», (Москва, 2012), XII Международной научной конференции «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела», (Уфа, 2012); 13-th European Meeting on
Environmental Chemistry (EMEC13), (Moscow, 2012); Втором съезде аналитиков
России (Москва, 2013); III Международной научной конференции «Проблемы
управления, обработки и передачи информации» (АТМ-2013), (Саратов, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 печатная работа, из
них 8 статей (5 в журналах, рекомендуемых ВАК), 12 тезисов докладов на международных конференциях и получены 2 патента на изобретение. Общий объем
опубликованных работ – 5,7 печатных листа.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, 4-х глав, выводов, списка литературы (129 наименований) и приложения, включающего акты внедрения результатов работы. Диссертация изложена на 149 страницах, включая 36 рисунков и 17 таблиц.
4.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,
сформулированы цель и задачи работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе при разработке иерархической структуры системного анализа (рис. 1) было показано, что на выбор технологии содержания автодорог и, в
конечном счете, на результат – качество автодорог, влияние оказывают четыре
основных кластера: природно-климатические условия; состояние автодорог;
уровень технологической культуры; интенсивность транспортной нагрузки.
По четырем показателям верхнего уровня проведен сравнительный анализ
со странами, представляющими интерес в области эксплуатации автодорог
(США, Канада, Великобритания, ФРГ, Финляндия, КНР), и показано, что по указанным факторам Россия в полном объеме не совпадает ни с одной страной. Отсюда вытекает невозможность использования зарубежного опыта, а только отдельных его фрагментов.
Основное значения для нас представляют такие показатели уровня технологической культуры, как обработка автодорог противогололедными реагентами и
пропиточными составами. В эти технологические операции на 3-м уровне иерархии входит один из важнейших показателей – «материалы», являющийся основным объектом наших исследований (рис. 1). Так как они представляют собой
сложные химические композиции, то ключевое значение имеют их показатели
6
качества, которые определяются в ходе испытаний образцов материалов, проводимых в аналитической лаборатории. Большое значение при этом имеет объективность испытаний и независимость от человеческого фактора. Это возможно
при автоматизации процедуры испытаний, в основе которой должна быть систематизация продуктов дорожной химии, показателей качества, методик измерений и аналитического оборудования. Кроме того, систематизация химических
ПГР и дорожных пропиток позволит решать задачи по совершенствованию методик измерения и улучшению свойств самих продуктов, что даст возможность
изобретать новые материалы с заранее заданными свойствами.
Качество автодорожной инфраструктуры (quality of roads)
Характеристики
воздушных масс
Состояние
автодорог
(quality of roads)
Возможности дорожной сети
Характеристики
осадков
Уровень солнечной
инсоляции
Природно-климатические условия
Обработка фрикционными
материалами
Нормативная
база
Уровень технологической культуры
Интенсивность транспортной нагрузки
Полив, уборка, ремонт автодорог
Объемы
перевозок
Качество дорожного
полотна
Обработка пропиточными составами
Темпы роста
автопарка
Уровень цивилизационной культуры
Обработка
ПГМ
Темпы роста
автодорог
Обработка химическими
материалами
Потенциал дорожной техники
Кадровый
потенциал
Обработка комбинированными материалами
Материалы
дорожной химии
Рис. 1. Системный анализ качества автодорожной инфраструктуры.
В работе впервые совместно рассмотрена иерархическая структура аналитического мониторинга химических противогололедных реагентов и дорожных
пропиток для использования на поверхности автодорог в зимнее и летнее время.
Системные исследования позволили выделить многоуровневую кластерную архитектуру показателей качества рассматриваемых продуктов дорожной химии и
разработать типовую структуру взаимосвязи каждого показателя с соответствующими методами аналитического контроля и аналитическим оборудованием.
Для эффективной эксплуатации автодорожной инфраструктуры были разработаны 3 взаимосвязанных информационных комплекса: система компьютерного менеджмента качества (КМК-система) химических противогололедных реагентов (ПГР), система экологического мониторинга ПГР и КМК-система пропиточных составов для дорожных покрытий. Разработка проводилась по информационному стандарту ISO-10303 STEP на основе наиболее перспективной системы компьютерной поддержки: CALS-технологии (Continuous Acquisition and
Life-cycle Support – непрерывная информационная поддержка жизненного цикла
изделия или продукта).
Во второй главе для автоматизации процедуры аналитического мониторинга
химических ПГР во ФГУП «ИРЕА» по Госконтрактам с Департаментом ЖКХ и
благоустройства г. Москвы разработана на основе концепции CALS система компьютерного менеджмента качества (КМК-система). Рассматриваемые ПГР сгруп-
7
пированы по химическим составам, которые представляют следующие 4 основные подкатегории (рис. 2): хлориды (хлориды кальция, натрия, магния и ПГР на
их основе); ацетаты (ацетаты аммония, калия, кальция и ПГР на их основе); карбамиды (мочевина, карбамидно-аммиачная селитра и ПГР на их основе); нитраты
(нитраты кальция, магния и ПГР на их основе). Кроме того конкретные химические ПГР разделены на 2 подкатегории по фазовому составу: твердые и жидкие.
Каждый из занесенных в КМК-систему химических ПГР, оценивается по
ряду показателей, объединенных в четыре подкатегории: органолептические
(внешний вид, цвет, запах), физико-химические (массовая доля растворимых
солей, зерновой состав, температура начала кристаллизации, влажность, массовая доля нерастворимых в воде веществ, водородный показатель, плотность,
динамическая вязкость), технологические (плавящая способность, гигроскопичность, слеживаемость) и экологические (коррозионная активность на металл, показатель агрессивного воздействия на цементобетон, удельная эффективная активность естественных радионуклидов, допустимое содержание химических веществ, не относящихся к действующему веществу ПГР – водорастворимая форма фтора, валовое содержание цинка, свинца, никеля, меди, ртути,
молибдена, кобальта, кадмия, хрома, селена, мышьяка). Нормы по этим показателям устанавливаются, исходя из особенностей применения ПГР для обработки дорожных покрытий и ПДК.
В базы данных созданного нами CALS-проекта КМК-системы (рис. 2) занесены индикаторы качества противогололедных реагентов, применяемых на
автодорогах г. Москвы в соответствии с положениями Регламента и Технологических карт комплексного содержания объектов дорожного хозяйства г. Москвы в зимний период, а также Технологии зимней уборки проезжей части магистралей, улиц, проездов и площадей (объектов дорожного хозяйства г. Москвы) с применением противогололедных реагентов, утвержденных Департаментом ЖКХ и благоустройства г. Москвы.
а
Рис. 2. Элемент КМК-системы ПГР. Экологические показатели: агрессивность
ПГР к стали и бетону (а – таблица показателей).
8
Рассматриваемый для объектов дорожного хозяйства г. Москвы ассортимент введен в КМК-систему и включает в себя противогололедные реагенты
марок (композиций основных действующих веществ на основе хлоридов и ацетатов): «ХКНж», «ХКНтв» (хлориды кальция и натрия в растворе и в твердой
форме), «МРтв», «МРКтв» (хлориды кальция, натрия, калия и формиат натрия в
разных пропорциях), «КР2тв», «КР3тв» (хлорид натрия и формиат натрия в
разных пропорциях в смеси с карбонатом кальция (фрикционной частьюмраморной крошкой)), «ХКМж» (раствор хлористого кальция модифицированный), «Антиснег-1» (раствор ацетата аммония), «Нордикс-П» (раствор ацетата
калия), «ХКФтв» (хлористый кальций, ингибированный фосфатами) и «Биомаг» (хлористый магний модифицированный). Из ассортимента выделены ПГР
с характерными отличиями (рис. 2-а). Показано, что реагенты на основе хлористого кальция («Биомаг твердый») агрессивно воздействует на сталь и бетон.
Одним из важнейших технологических показателей ПГР является плавящая способность, определяющая нормы расхода ПГР. Неточности в определении норм расхода различных ПГР приводят к их неэкономичному использованию, а также к загрязнению окружающей среды при избыточном применении
хлористых солей. Поэтому определение достоверного значения плавящей способности является принципиально важной задачей при оценке свойств того или
иного состава. Нами проведен анализ используемых методик и показано, что
согласно применявшейся до настоящего времени «Методике испытания противогололедных материалов» (утвержденной Минтрансом РФ в 2003) плавящую
способность определяли по изменению массы льда в кювете (чаше) до и после
обработки противогололедными реагентами за определенный промежуток времени при заданной температуре.
С учетом несовершенства существующей методики нами была разработана
и занесена в информационный CALS-проект новая методика (рис. 3-а) для расчета равновесной плавящей способности ПГР.
а
б
Рис. 3. КМК-система ПГР. Технологические показатели. Плавящая способность (а
– свидетельство об аттестации методики; б – определитель температуры ИРТ-4).
9
Плавящая способность определялась дифференцированно из кривых замерзания, построенных в следующих координатах: массовая доля ПГР – температура начала кристаллизации (1-25)%-ных водных растворов ПГР, построенных для любой конкретной температуры в интервале от -1 до -20 °С. Экспериментальные кривые замерзания снимаются в автоматическом режиме с использованием установки, включающей жидкостной криотермостат и измеритель–
регулятор температуры (рис. 3-б), позволяющий определить начало кристаллизации разбавленных растворов. Величина pt равновесной плавящей способности рассчитывалась нами для любого значения температуры по расчетной формуле: pt = c0/сt – 1, где с0 – исходная концентрация химического вещества в растворе или в сухом реагенте; сt – конечная – равновесная концентрация вещества
в растворе после плавления льда или снега, соответствующая температуре замерзания раствора при рассматриваемых условиях. Для построения кривых замерзания растворов ПГР определяют температуру начала кристаллизации разбавленных растворов образца в интервале концентраций от 1 % до концентрации (массовой доли) исходного раствора или эвтектической концентрации для
твердого реагента. Температуру начала кристаллизации приготовленных растворов ПГР определяют по ГОСТ 18995.5-73.
Для использования ПГР при пониженных температурах были проведены
комплексные исследования и получены экспериментальные данные по плавящей способности в температурном диапазоне ниже -20оС для следующих марок
ПГР: МРтв, МРКтв, КР2тв, КР3тв. Эксперимент показал, что данные марки
ПГР (при соотношении массовых долей основных действующих химических
веществ в эталонном образце) не плавят лед и снег при температуре ниже -23
о
С, так как указанная температура близка к эвтектической для смеси солей с
преобладанием хлористого натрия. Также показано, что при температуре от
-20 оС до -23 оС нормы применения ПГР увеличиваются с понижением температуры в зависимости от плавящей способности: примерно от 5 раз (по сравнению со стандартом) при -20 оС и примерно до 7 раз при -23 оС. Нами были даны
рекомендации о том, что в температурном интервале от -23 оС до -30 оС необходимо применять новый ПГР, содержащий в своем составе не менее 80 % хлористого кальция (90%-ного) по ГОСТ 450, так как эвтектическая температура
для такого состава будет ниже -30 оС.
Проведена разработка нового формиатного ПГР, в ходе которой создана и
реализована в КМК-системе аналитическая методика количественного анализа
формиатов с относительной суммарной погрешностью результата анализа, соответствующей высокоточным характеристикам титриметрических методов. Практическая значимость проведенных исследований подтверждена патентом
№ 2478203 от 27.03.2013 «Способ определения содержания формиатов щелочных металлов в противогололедных реагентах».
Для количественного определения формиатов щелочных металлов в противогололедных реагентах предлагается способ определения содержания формиатов щелочных металлов, основанный на титриметрическом методе количественного анализа и применяемый для противогололедных реагентов, содержащих 1-50 мас. % формиатов щелочных металлов, а также дополнительно содержащих хлориды кальция и хлориды щелочных металлов.
При решении задачи управления качеством формиатных ПГР нами показано, что, во-первых, формиат натрия, как компонент в составе ПГР, эквивален-
10
тен по действию хлориду натрия, во-вторых, наличие в составе формиата натрия оказывает экологически положительное влияние.
В результате системного анализа влияния формиата натрия на качество
продукта, формиат натрия включен в состав разработанных совместно ФГУП
«ИРЕА» и ОАО МХК «ЕвроХим» новых ПГР (жидкого и твердого). Проведены
его лабораторные испытания, подтвердившие результаты системного анализа,
предшествовавшего выбору рецептуры, намечена постановка на производство
заводом «Новомосковский ХЛОР».
В третьей главе показано, что применение химических реагентов для зимнего содержания дорог всегда сопровождается определенными неизбежными
экологическими последствиями, связанными с попаданием в окружающую среду большого количества химических веществ. Для снижения негативных последствий проводится экологический мониторинг состояния объектов окружающей среды, который позволяет оценить воздействие применяемых ПГР по
4-м важнейшим экологическим кластерам: почвенный покров, водные объекты,
зеленые насаждения и атмосферный воздух.
На основе CALS-технологий была разработана КМК-система оценки экологического воздействия ПГР на окружающую среду. В качестве категорий верхнего
уровня (рис. 4) были выбраны различные объекты окружающей среды: снежный
покров и водные объекты (категория № 1); почвенный покров (№ 2); зеленые
насаждения (№ 3) и атмосферный воздух (№ 4). Необходимо отдельно рассматривать воздействие на окружающую среду большого объема основных компонентов
ПГР и сопутствующих им наиболее потенциально опасных примесей. Для этого
на втором уровне разработанной системы рассматриваются основные группы химических ПГР: хлориды, ацетаты, карбамиды и нитраты.
а
б
Рис. 4. CALS-проект «Экологическое воздействие ПГР». Снег, водные объекты Хлориды (а – гигиенические нормативы 2.1.5.689-98; б – таблица ПДК для воды).
В рассматриваемой подкатегории «Хлориды» (рис. 4) выделено 3 подкатегории 2-го уровня, представляющие собой наименования химических веществ –
основных компонентов ПГР: хлориды кальция, магния и натрия. Для каждого
соединения в систему занесены 6 индикаторов качества, характеризующих степень воздействия ПГР на выбранный объект окружающей среды (рис. 4): массо-
11
вая доля растворимых солей (подкатегория № 1), массовая доля нерастворимых
в воде веществ (№ 2), водородный показатель (№ 3), удельная эффективная активность естественных радионуклидов (№ 4), массовая доля примесей (№ 5) и
коррозионная активность на металл (№ 6). Для каждого показателя в систему
занесены все необходимые исследователю сведения о методе определения, используемом приборе и виде выходной документации.
Массовая доля нерастворимых в воде веществ (подкатегория № 2) определяется гравиметрически. Навеску ПГР фильтруют через обеззоленный фильтр
«синяя лента» (предварительно высушенный в сушильном шкафу при температуре 60-70 оС до постоянной массы). Осадок на фильтре промывают горячей
водой до отрицательной реакции на хлорид-ион, а затем фильтр с осадком подвергается термообработке в сушильном шкафу. В КМК-системе представлено
несколько вариантов сушильных шкафов различных фирм-производителей
(Ulab, Umega, Экрос) для выбора сушильного устройства с различными
габаритами, максимальной температурой и режимом сушки.
В КМК-системе определению водородного показателя (подкатегория № 3)
поставлен в соответствие потенциометрический метод с использованием в качестве аналитического оборудования pH-метра. Метод основан на потенциометрическом измерении разницы потенциалов стеклянного электрода и электрода сравнения, погруженных в водный раствор ПГР. Определение удельной
эффективной активности естественных радионуклидов (подкатегория № 4) –
методом радиометрии. Метод основан на измерении излучений, испускаемых
радиоактивными элементами. В CALS-проекты занесены данные по различным
pH-метрам и радиометрам отечественного и зарубежного производства.
Наибольший интерес для нас представляет аналитический мониторинг,
связанный с определением и занесением в КМК-систему примесных компонентов химических ПГР. Для этого в подкатегории № 5 «Массовая доля примесей»
выделено 3 подкатегории четвертого уровня, объединенных по способу определения рассматриваемых примесей (рис. 5).
а
б
Рис. 5. CALS-проект «Экологическое воздействие ПГР». Хлориды кальция –
Примеси фтора (а – иономер-кондуктометр Анион 4155; б – график зависимости электродного потенциала от концентрации фтор-ионов).
12
Примеси Cd, Hg, Mo, As, Pb и Se определяют методом масс-спектрометрии
с индуктивно-связанной плазмой (метод основан на использовании для ионизации элементов индукционной плазмы факельной конфигурации; для регистрации ионов определяемых элементов используют масс-спектрометр квадрупольного типа); примеси Co, Ni, Cu, Cr и Zn – методом атомно-эмисионной спектрометрии (метод основан на использовании в качестве источника возбуждения
спектров индукционной плазмы факельной конфигурации; для регистрации
спектра используются многоканальные фотоэлектрические системы), а примесь
фтора – методом потенциометрии. Как и в ранее рассмотренных подкатегориях
для каждого метода в системе представлены несколько приборов различных
фирм-разработчиков и виды выходной документации (рис. 5-а,б).
В четвертой главе с использованием информационного CALS-стандарта
ISO-10303 STEP была разработана система компьютерного менеджмента качества пропиточных составов для дорожных покрытий (рис. 6). На верхнем уровне разработанной системы пропиточные составы классифицированы по назначению. Было выделено две основные категории: восстанавливающие (омолаживающие) составы (категория № 1) и составы для защиты асфальтобетонных
покрытий (категория № 2).
а
Рис. 6. Элемент CALS-проекта «Пропиточные составы». Восстанавливающие
составы - Нефтяной битум – Эмульгирование битума – Прямые эмульсии - Катионные эмульсии – «APT-78» (а - сертификат соответствия «APT-78»).
В обеих рассмотренных группах пропиточные составы объединены по виду основы: различают восстанавливающие составы на основе нефтяного битума
(подкатегория № 1.1), глины (подкатегория № 1.2) и индустриальных нефтяных
масел (подкатегория № 1.3). Материалы из второй группы пропиток (категория
№ 2), как правило, не влияют на структуру асфальта, только создавая поверх
него защитный слой, в том числе для декоративных целей. Проанализировав
составы защитных пропиток, нами было выявлено, что большинство таких
композиций составлено на основе полимерных материалов. Существуют также
защитные составы на основе щелочей (StreetBond150), рафинированных смол
(Star Aviator), на каменноугольной основе (Star Micropave Supreme), содержащие битум (Star Micropave Aviator, Star Micropave ProBlend).
13
Технологически производство восстанавливающих пропиток на основе битума может быть организовано тремя различными способами: разогревом битума до необходимых (технологических) температур, разжижением битума легкими (как правило, органическими) растворителями или эмульгированием битума. Данные способы отражены в подкатегориях второго уровня подкатегории
№ 1.1 «Пропиточные составы на основе битума». Наибольший интерес представляют дорожные пропитки, полученные эмульгированием битума: прямые и
обратные эмульсии (подкатегории №№ 1.1.1.1 и 1.1.1.2 соответственно). По виду используемого эмульгатора битумные эмульсии подразделяют на анионные
и катионные. Приведенный на рис. 6-а пропиточный состав APT-78 предназначен для сохранения, восстановления и модификации жизненно важных свойств
асфальта. APT-78 повторно связывает и стабилизирует покрытие, уплотняя и
восстанавливая связующие компоненты асфальтобетона, улучшая при этом
внешний вид асфальта.
В КМК-систему занесен ассортимент защитных дорожных пропиток, не
содержащих битумы. Например, дорожная пропитка LAS-320 является новой
разработкой корпорации Enviroseal. Этот продукт рекомендован для обработки
поверхности асфальта и не является составом на основе нефти. LAS-320 прошел всестороннее испытания под воздействием внешней среды, включая тесты
по замораживанию и оттаиванию.
На основании проведенного анализа для каждой пропитки нами разработаны несколько групп показателей качества (рис. 7): органолептические (подкатегория № 1), физико-химические (подкатегория № 2), физико-механические
(подкатегория № 3), технологические (подкатегория № 4), экологические (подкатегория № 5) и эксплуатационные (подкатегория № 6). В каждой группе выделено несколько основных индикаторов качества, определяемых в соответствии с ГОСТ или другими нормативными документами для каждой пропитки.
Так, например, в подкатегории № 1 «Органолептические показатели» объединены такие индикаторы качества, как внешний вид, цвет и запах (подкатегории
№№ 1.1, 1.2 и 1.3, соответственно). Проанализировав собранную документацию
на различные пропитки, а также ГОСТ 18659-81 и ГОСТ Р 52128-2003
(«Эмульсии битумные дорожные. Технические условия»), в подкатегорию № 2
«Физико-химические показатели» нами было выделено 5 позиций: условная
вязкость, содержание вяжущего с эмульгатором, массовая доля нелетучих веществ, температура хрупкости и температура вспышки. Для каждого показателя
в систему занесены данные о методе определения и используемом приборе.
В подкатегории № 3 «Физико-механические показатели» представлены
наиболее важные контролируемые индикаторы качества дорожных пропиток:
температура размягчения по кольцу и шару, растяжимость, однородность, температура хрупкости и температура вспышки. В подкатегории № 4 «Технологические показатели» представлены основные индикаторы качества, характеризующие взаимодействие пропитки с дорожным покрытием: время высыхания
пленки на поверхности, летучесть, коэффициент эффективности, сцепление с
минеральными материалами и глубина проникания иглы.
Разработанная КМК-система позволила провести многокритериальный
анализ современных составов дорожных пропиток применительно к использованию на асфальтобетонном покрытии автодорог РФ, так как по ряду причин
асфальтобетонное покрытие стареет значительно раньше окончания межремонтного срока, а одним из недостатков традиционных методов защиты ло-
14
кальным применением известных битумных композиций является несбалансированность следующих свойств: недостаточная эластичность и невысокие
прочностные показатели; недостаточная скорость проникновения в асфальтобетонное покрытие; недопустимо большое время затвердевания.
а
б
Рис. 7. Элемент CALS-проекта «Пропиточные составы». Катионные эмульсии –
Технониколь – Физико-химические показатели – Температура размягчения по
кольцу и шару (а – аппарат RKA-5; б – температуры размягчения битумов).
Разработанная КМК-система позволила провести многокритериальный
анализ современных составов дорожных пропиток применительно к использованию на асфальтобетонном покрытии автодорог РФ, так как по ряду причин
асфальтобетонное покрытие стареет значительно раньше окончания межремонтного срока, а одним из недостатков традиционных методов защиты локальным применением известных битумных композиций является несбалансированность следующих свойств: недостаточная эластичность и невысокие
прочностные показатели; недостаточная скорость проникновения в асфальтобетонное покрытие; недопустимо большое время затвердевания.
Проведенный анализ природно-климатических условий и дорожной обстановки показал, что ни одна из имеющихся марок пропиток полностью не отвечает
требованиям, предъявляемым к качеству содержания объектов дорожного хозяйства. Показано, что на автодорогах РФ перспективна для применения восстанавливающая пропитка, обладающая герметизирующими, гидрофобизирующими и
другими свойствами, не содержащая в составе воды, не имеющая в качестве примесей фрикционных частиц, имеющая высокую скорость высыхания на поверхности автодороги и адекватную дорожной обстановке технологию применения. В
результате нами изобретен инновационный состав дорожной пропиточной композиции, включающий нефтяной битум, нефтеполимерную смолу и органический
растворитель, и технология ее применения имеющимся парком дорожной специальной техники. На данное изобретение подана заявка «Способ обработки дорожных асфальтобетонных покрытий» (№ 2012153391 от 11.12.2012 г.).
С помощью КМК-системы установлено, что этим требованиям максимально
соответствует, восстанавливающий состав пропитки, включающий основунефтепродукт (битум или нефтяное масло), превращенную в эмульсию (разогревом с введением смолы). Экспериментальным путем был определен инновацион-
15
ный состав пропитки (битум, смола и растворитель), которая в настоящее время
успешно проходит микронатурные испытания. Способ обработки автодорожного
покрытия с использованием данного материала был заявлен на патентование.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:
1. Выделены ключевые факторы, влияющие на качество автодорожной
инфраструктуры. Установлены закономерности их взаимодействия на различных уровнях иерархии. С помощью метода декомпозиции построена многофакторная модель качества автодорожной инфраструктуры. Показаны место и роль
материалов дорожной химии в разработанной иерархической системе.
2. Разработана система компьютерного менеджмента качества химических
противогололедных реагентов в следующих информационных сечениях: химический состав; показатели качества; методы анализа; аналитическое оборудование. Основные 18 показателей качества сгруппированы по 4-м информационным кластерам: Проведены с использованием КМК-системы для Департамента
ЖКХ и благоустройства г. Москвы комплексы системных теоретических и экспериментальных исследований по договорам на НИР и Государственным контрактам «Проведение испытаний противогололедных реагентов на соответствие техническим требованиям по условиям поставки».
3. Для важнейшего технологического индикатора «плавящая способность»
разработана и запатентована новая методика, позволяющая получать дифференцированно из кривых замерзания более точные характеристики. По новой методике для основного ассортимента ПГР проведены экспериментальные исследования
и моделирование плавящей способности ПГР. Создана и запатентована аналитическая методика количественного анализа формиатов в ПГР. Разработанные инновационные составы жидкого и твердого формиатных ПГР предложены для постановки на производство в ОАО «Минерально-химическая компания ЕвроХим».
4. Разработана система экологического мониторинга влияния противогололедных реагентов на следующие компоненты окружающей среды. Для каждой
экологической составляющей в архитектуру системы введены 6 важнейших индикаторов качества, характеризующих степень воздействия конкретного ПГР на
выбранный объект окружающей среды. По всем индикаторам качества в систему
введены соответствующие методы анализа и аналитическое оборудование. Полученные по экологическому мониторингу результаты вошли в договора Департамента природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы.
5. Для компьютерного менеджмента качества дорожных пропиток разработана информационная система по двум целевым классам: восстанавливающие и
защитные. Для каждого класса пропиток выделены основные подкатегории, по
которым сгруппированы пропитки соответствующих химических составов, характеризуемых совокупностью показателей качества. Проведена систематизация
показателей качества по предложенным нами информационным кластерам. По
каждому показателю в архитектуру системы имплементированы наиболее перспективный метод анализа и аналитическое оборудование. На основании проведенного многокритериального анализа эффективности дорожных пропиток разработан новый состав на основе модифицированного битума, на который подана
заявка на патент «Способ обработки дорожных асфальтобетонных покрытий».
6. Разработанные КМК-системы внедрены в Аналитическом испытательном
центре и Центре коллективного пользования научным оборудованием ФГУП
«ИРЕА». Программные модули CALS-систем аналитического мониторинга вошли в Государственный контракт Минобрнауки России ГК 16.552.11.7010.
16
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:
Статьи, опубликованные в рецензируемых изданиях:
1. Глушко, А. Н. Разработка CALS-технологии компьютерного менеджмента качества химических противогололедных материалов и дорожных пропиток на основе методов системного анализа/ А. Н. Глушко, А. М. Бессарабов, Т. И. Степанова // Наукоемкие
технологии. – 2013. – Т. 14. – № 3. – С. 74-80.
2. Бессарабов, А. М. Компьютерный экологический мониторинг химических противогололёдных реагентов / А. М. Бессарабов, А. Н. Глушко, Т. И. Степанова, О. В.
Стоянов // Вестник Казанского технологического университета. – 2013. - № 20. – С. 280283.
3. Бессарабов, А. М. Компьютерный менеджмент качества противогололедных
материалов для автомобильных дорог / А. М. Бессарабов, А. Н. Глушко, Т. И. Степанова, Е. Л. Гордеева // Известия МГТУ «МАМИ». – 2012. – Т. 4 – № 2 (14). – С. 121-125.
4. Бессарабов, А. М. Аналитический мониторинг химических противогололедных
материалов на основе концепции CALS / А. М. Бессарабов, А. Н. Глушко, Т. И. Степанова, А. В. Лобанова // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2012. – № 1 (64). – Выпуск 2. – С. 225-229.
5. Бессарабов, А. М. Разработка компьютерных систем для поддержания оптимального состояния муниципальной автодорожной инфраструктуры / А. М. Бессарабов, А. Н. Глушко, Т. И. Степанова, А. В. Лобанова, Г. Е. Заиков, О. В. Стоянов //
Вестник Казанского технологического университета. – 2012. – № 10.–С.293-299.
Публикации в других научных изданиях:
6. Глушко, А. Н. Анализ региональной транспортной инфраструктуры на примере
противогололедных материалов / А. Н. Глушко, Т. И. Степанова, О. Н. Подмарева, А. М.
Бессарабов // Сборник научных трудов X Международной научно-практической конференции «Партнерство бизнеса и образования в инновационном развитии региона». Тверь
27 октября 2011 г. / ТФ МЭСИ – Тверь, 2011.–С. 126-129.
7. Глушко, А. Н. Разработка CALS-системы для экологического мониторинга химических противогололедных реагентов / А. Н. Глушко, Л. С. Кислякова, Т. И. Степанова, А. М. Бессарабов // Материалы седьмой международной конференции «Управление
развитием крупномасштабных систем» (MLSD'2013), 30 сентября - 2 октября 2013 г. /
ИПУ РАН. – Москва, 2013. – Т. 2. – С. 323-326.
8. Бессарабов, А. М. Разработка компьютерных систем для поддержания оптимального состояния муниципальной автодорожной инфраструктуры / А. М. Бессарабов,
А. Н. Глушко, Т. И. Степанова, А. В. Лобанова, Г. Е. Заиков, О. В. Стоянов // Энциклопедия инженера-химика. – 2013. – № 7. – С. 51-58.
9. Бессарабов, А. М. Модернизация систем компьютерного менеджмента качества
автодорожных покрытий на основе CALS-технологий/ А. М. Бессарабов, А. Н. Глушко,
Т. И. Степанова, Г. Е. Заиков, О. В. Стоянов // Все материалы. Энциклопедический
справочник. – 2013. – № 9. – С. 23-25.
10. Патент на изобретение. № 2494187. Российская Федерация. Способ предотвращения скользкости на дорожных покрытиях и тротуарах / К.К. Булатицкий, Ю. Н.
Орлов, А. Л. Разинов, Д. С. Хачатрян, Р. А. Санду, А. Н. Глушко, А. Г. Вендило.; заявитель и патентообладатель: ФГУП «ИРЕА». Заявл. 16.03.2012; опубл. 27.09.2013.
Бюл. № 27. – 10 с.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
986 Кб
Теги
0c5bb42314, uploaded
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа