Исследование стойкости к гидроабразивному воздействию перспективных полимерных футеровочных материалов

УДК 620.178.4

ИССЛЕДОВАНИЕ СТОЙКОСТИ К ГИДРОАБРАЗИВНОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ФУТЕРОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

К.П. Антоев, С.Н. Попов, Б.Н. Заровняев

Приведены результаты исследования стойкости к гидроабразивному воздействию полимерных материалов. Исследования гидроабразивного изнашивания проводились на специально разработанном устройстве, позволяющем исследовать износостойкость материалов и покрытий при условиях ударного воздействия свободно взвешенных абразивных частиц, имитирующих поток гидроабразивной среды. В качестве объектов для исследования были выбраны сверхвысокомолекулярный полиэтилен, полиуретан и полимочевина. Проведён сравнительный анализ интенсивности изнашивания этих материалов с конструкционной сталью.

Ключевые слова: гидротранспортные системы, гидроабразивный износ, футе-ровочные материалы, гидроабразивная среда, износостойкость, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, полиуретан, полимочевина.

Гидротранспортные трубопроводные системы на предприятиях горнодобывающей промышленности выполняют важную технологическую задачу при добыче и переработке горнорудного сырья. Однако гидротранспорт имеет низкую долговечность, т.к. при транспортировке гидросмеси рабочие поверхности оборудования взаимодействуют со взвешенными в воде абразивными частицами, что приводит к сильному износу труб и их преждевременному выходу из строя [1 - 4].

Традиционно рабочие поверхности гидротранспортных систем изготавливаются из рядовых марок стали, например, трубопроводы, приемные бункера и т.д. Как правило, они обладают низкой степенью износостойкости и подвержены сильной коррозии. Поэтому в последнее время широко начали использовать полимерные и композитные материалы в виде футеровки или полную замену стальных деталей на конструкции из полимеров и композитов [5 - 6]. Однако не все композитные материалы подходят для защиты рабочих частей гидротранспортных систем, т.к. износостойкость этих материалов не всегда достаточна, а ее определение осуществляется по методам, которые не учитывают ударные нагрузки свободно-взвешенных частиц на поверхность материала [7 - 9]. При испытании этими методами происходит сухое скольжение жестко закрепленных абразивных частиц по материалу, тем самым просто срезая часть материала с поверхности (рис. 1). Сущность гидроабразивного износа заключается в многократном соударении и трении свободно-взвешенных абразивных частиц горной породы на поверхности рабочих частей гидротранспортной системы (рис. 2). На рис. 2 видно, что при многократных ударах взвешенных абразивных частиц на поверхность материала начинают образовываться микротрещины, которые при дальнейших ударах разрастаются в кратеры с дальнейшим вымыванием материала.

185

\

Абразивный износ Рис. 1. Механизм абразивного износа

стЧ сГ

_ ПчлИл

Гидроабразивный износ Рис. 2. Механизм гидроабразивного износа

Авторы работ [10 - 14] показали, что изнашивание потоком частиц в условиях ударного воздействия свободно взвешенных частиц на поверхность материала существенно отличается от простого скольжения абразива. Анализ методов исследования абразивного износа показывает, что существующие стандартные методы исследования износа не учитывают особенностей механизма износа в потоке твердых свободно взвешенных частиц [7 - 9, 15].

Цель работы - исследование стойкости футеровочных полимерных материалов к гидроабразивному воздействию.

В качестве объектов для исследования были выбраны образцы материалов: сверхвысокомолекулярный полиэтилен марки GUR 4150, полиуретан марки ЭП СКУ ПТ-74, полимочевина марки Elastocoat С 6335/134. В качестве эталона была испытана сталь марки Ст1Кп2. Для испытаний из каждого материала изготавливаются по 4 образца в виде пластин с длиной и шириной 50 мм, толщиной 2 мм.

Испытания проводились на разработанном устройстве, описанном в работах [16 - 18], при следующих условиях:

образцы в виде пластин закрепляются на лопасти установки;

186

гидроабразивная среда содержит 60 масс. % карбида кремния (размеры частиц 1 - 3 мм) и 40 масс. % воды;

скорость вращения образцов - 400 об./мин;

зазор между стенкой и лопастями - 20 мм;

общее время испытания - 1 час.

После испытания образцы высушивались при 60 °С в течение 2 ч. с дальнейшим термостатированием при комнатной температуре (23 °С) в течение 30 мин. Весовой износ (изменение массы) каждого образца определялся на аналитических весах с погрешностью не более 0,0002 г. Интенсивность износа каждого материала высчитывается как среднее между весовым износом четырех испытанных образцов.

Маркировка образцов для испытания:

1) СВМПЭ - сверхвысокомолекулярный полиэтилен;

2) ПМ - полимочевина;

3) ПУ - полиуретан;

4) Ст1Кп2 - сталь.

Исследование стойкости армированных полимерных композитных материалов к гидроабразивному воздействию позволило получить данные интенсивности гидроабразивного износа, которые приведены на рис. 3.

Интенсивность гидроабразивного износа

футеро вочных матер палов. г/ч

СВМПЭ ИМ «ПУ  Ст1Кп2

0,0949

п про 0,015 0,0081

Рис. 3. Данные интенсивности гидроабразивного износа футеровочных покрытий и материалов для гидротранспортных систем

Из графика интенсивностей гидроабразивного износа футеровоч-ных покрытий и материалов для гидротранспортных систем видно, что СВМПЭ имеет наименьший износ за 1 час воздействия гидроабразивной среды 0,0081 г., что в 12 раз ниже, чем у стали. Интенсивность гидроабразивного износа полимочевины на 38 % выше, чем у СВМПЭ. Интенсивность гидроабразивного износа полиуретана составляет 0,0157 г/ч, это в два раза выше, чем у СВМПЭ, и в 6 раз ниже, чем у конструкционной ста-

187

ли. В качестве эталона была испытана конструкционная сталь марки Ст1Кп2, интенсивность износа при гидроабразивном воздействии которой составила 0,0949 г/ч.

Наибольший интерес представляет напыляемый футеровочный материал из полимочевины, интенсивность гидроабразивного износа которого составляет 0,0128 г/ч и не сильно уступает по износостойкости СВМПЭ. Однако за счет удобств при монтаже напыляемого футеровочного покрытия по сравнению с листовым материалом из СВМПЭ полимочевина более предпочтительна для покрытия рабочих частей гидротранспортных систем.

Сравнительный анализ интенсивности гидроабразивного износа футеровочных материалов из СВМПЭ, полиуретана и полимочевины с конструкционной сталью показал, что наиболее стойким к ударным воздействиям в потоке абразивных свободно взвешенных частиц является СВМПЭ. Однако высокая стоимость и необходимость изменения традиционной технологии изготовления изделий при использовании СВМПЭ как футеровочного материала показывают перспективность использования напыляемого покрытия на основе полимочевины.

Работа выполнена в рамках государственного задания № 03772018-0001

Список литературы

1. Меньшиков С.С., Васильева М.А. Коэффициент технического состояния грунтовых насосов в системах гидротранспорта хвостовых пульп // Записки Горного института. 2014. Т. 209. С. 193-196.

2. Александров В.И., Собота Иржи. Вибродиагностика технического состояния грунтовых насосов // Записки Горного института. 2016. Т. 218. С. 242 - 250.

3. Покровская В.Н., Половоцкий Д.Г. Исследование пульповых насосов // Материалы семинара Московского Дома научно-технической пропаганды. 1971. С. 5-8.

4. Покровская В.Н. Пути повышения эффективности гидротранспорта. М.: Недра, 1972. 160 с.

5. Красный В.А., Максаров В.В., Ольт Ю. Применение полимерных композитных материалов в узлах трения скважинных нефтяных насосов // Записки Горного института. 2015. Т. 211. С. 71-79.

6. Морозов В. И., Гончаров А. Б., Тулинов А. Б. Прогрессивные технологии восстановления деталей горного и обогатительного оборудования // ГИАБ. 2006. №6. С. 340-342.

7. ГОСТ 11012-69. Пластмассы. Метод испытания на абразивный износ. М.: Издательство стандартов, 1989.

8. ASTM D4060 : Standard Test Method for Abrasion Resistance of Organic Coatings by the Taber Abraser.

9. DIN 52347: Testing of glass and plastics; abrasion test; method using abrasion wheels and measurement of scattered light.

10. More S.R., Nandre B.D., Desale G.R. Development of Pot Tester to Simulate the Erosion Wear due to Solid-Liquid Mixture // International Journal of Researchers. 2014. 2. P. 6 - 12.

11. A comprehensive review of solid particle erosion modeling for oil and gas well sand pipelines applications / M. Parsi, K. Najmi, F. Najafifard, S. Hassani, B.S. Mc Laury, S.A. Shirazi // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2014. 21. P. 850 - 873.

12. Golchin A, Nguyen TD, De Baets P, Glavatskih S and Prakash B. Effect of shaft roughness and pressure on friction of polymer bearings in water // Proc Inst Mech Eng J J Eng Tribol. 2014. 228 (4). P. 371 - 381.

13. Simulate the Erosion Wear of AISI SS 304L due to Solid-Liquid Mixture / S. Khairnar Hitesh, A. Thakur Pramod, Dr. E.R. Deore, S.R. More // IORD Journal of Science and Technology, 2015. 2. P. 49 - 55.

14. Копченков В.Г. Механизмы изнашивания эластомеров прямым ударом абразивных частиц // Трение и износ. 2016 (37). №1. С. 70-75.

15. ГОСТ 426-77. Резина. Метод определения сопротивления истиранию при скольжении. М.: Изд-во стандартов, 1977.

16. Антоев К.П., Заровняев Б.Н., Христофорова А.А. Устройство для исследования стойкости стеклопластиковых труб к гидроабразивному износу // Трение и износ. 2017 (38). №3. С. 158-161.

17. Антоев К.П., Попов С.Н. Исследование стойкости к гидроабразивному износу стеклопластиковых труб с полиуретановым покрытием // Наука и образование. 2017 (85). №1. С. 87-90.

18. Устройство для исследования износостойкости материалов и покрытий при гидроабразивном воздействии: пат. 166009 РФ. №31. Бюл. от 10.11.2016.

Антоев Карл Петрович, мл. науч. сотр., antoevkp@gmail.com, Россия, Якутск, Институт проблем нефти и газа СО РАН,

Попов Савва Николаевич, д-р техн. наук, проф., зам. директора по научной работе, inm@ysn.ru, Россия, Якутск, Институт проблем нефти и газа СО РАН,

Заровняев Борис Николаевич, д-р техн. наук, проф., директор горного института, mine_academy@mail.ru, Россия, Якутск, Северо-восточный федеральный университет им. М. К. Аммосова

A STUDY OF PROMISING POLYMER LINING MATERIALS RESISTANCE TO HYDROABRASIVE EFFECTS

K.P. Antoev, S.N. Popov, B.N. Zarovnyaev

The study results of polymeric materials resistance to hydroabrasive effects are presented. Hydroabrasive wear research was carried out on a specially designed device. This device allows studying wear resistance of materials and coatings under the impact conditions

189

of freely weighted abrasive particles imitating the flow of a hydroabrasive medium. Ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE), polyurethane, and polyurea were chosen as objects of the study.

Key words: hydro-transport systems, hydroabrasive wear, lining materials, hydroabrasive environment, wear resistance, ultra-high molecular weight polyethylene, polyurethane, polyurea.

Antoev Karl Petrovich, Junior Researcher, antoevkp@gmail.com, Russia, Yakutsk, Institute of Oil and Gas Problems SB RAS,

Popov Savva Nikolaevich, Doctor of Technical Science, Professor, Deputy Director for Science, inm@ysn.ru, Russia, Yakutsk, Institute of Oil and Gas Problems SB RAS,

Zarovnyaev Boris Nikolaevich, Doctor of Technical Science, Professor, Director of the Mining Institute, mine_academy@mail.ru, Russia, Yakutsk, North-Eastern Federal University

Reference

1. Menshikov S. S., Vasilyeva M. A. Coefficient of technical condition of ground pumps in hydraulic systems of tail pulps / / Notes of the Mining Institute. 2014. Vol. 209. P. 193-196.

2. Alexandrov V. I., Sobota Jiri Vibration diagnostics of technical condition of underground pumps // proceedings of the Mining Institute. 2016. Vol. 218. P. 242-250.

3. Pokrovskaya V. N., Polovotsky D. G. research of pulp pumps / / Proceedings of the seminar of the Moscow House of scientific and technical propaganda, 1971. P.5-8.

4. Pokrovskaya, V. N. Ways of increase of efficiency gidrotrans port. M., Nedra, 1972. 160C.

5. V. A. Krasnyy, V. V. Maksarov, 'olt, Y. Application of polymer composite materials in friction downhole oil pumps // proceedings of the Mining Institute. 2015. Vol. 211. P. 71-79.

6. Morozov V. I., Goncharov A. B., Tulinov A. B. Progressive technologies of restoration of details of mining and concentrating equipment. GIAB. 2006. No. 6. P. 340-342.

7. GOST 11012-69. Plastics. Abrasive wear test method. M.: Publishing house of standards, 1989.

8. ASTM D4060: Standard Test Method for Abrasion Resistance of Organic Coatings by the Taber Abraser.

9. DIN 52347: Testing of glass and plastics; abrasion test; method using abrasion wheels and measurement of scattered light.

10. More S. R., Nandre B. D., Desale G. R. Development of Pot Tester to Simulate the Erosion Wear due to Solid-Liquid Mixture // International Journal of Researchers. 2014 (2), pp 6-12.

11. Parsi M., Najmi K., Najafifard F., Hassani S., Mc Laurie B. S., Shirazi S. A. a comprehensive review of solid particle erosion modeling for oil and gas well sand pipelines applications // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2014 (21), pp 850-873.

12. Golchin a, Nguyen TD, De Baets P, Glavatskih S and Prakash B. Effect of shaft roughness and pressure on friction of polymer bears in water. Proc Inst Mech Eng J j Eng Tri-bol 2014; 228 (4), pp 371-381.

13. Hitesh S. Khairnar, Pramod A. Thakur, Dr. E. R. Deore, S. R. More, Simulate the Erosion Wear of AISI SS 304L due to Solid-Liquid Mixture // IORD Journal of Science and Technology, 2015 (2), pp 49-55.

14. Kopchenkov V. G. mechanisms of elastomer wear by direct impact of abrasive particles / / Friction and wear. 2016 (37). No. 1. P. 70-75.

15. GOST 426-77. Rubber. Method for determination of abrasion resistance during sliding. M.: Publishing house of standards, 1977.

16. Antoun K. P., Zarovnyaev B. N., Khristoforova A. A. Device for the study of resistance of GRP pipes to hydroabrasive wear // Friction and wear. 2017 (38). No. 3. P. 158161.

17. Antoun K. P., Popov S. N. Investigation of resistance to hydroabrasive wear of GRP pipes with a polyurethane coating // Science and education. 2017 (85). No. 1. P. 87-90.

18. Device for the study of wear resistance of materials and coatings under hydroa-brasive action: Pat. 166009 of the Russian Federation. No. 31. Bul. from 10.11.2016.

УДК 622.233.001.891.3

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА БУРОВЫХ РАБОТ НА ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ

КАРЬЕРАХ

В. А. Антонов, А. С. Реготунов

На основе годовых технико-экономических показателей производства буровых работ на горных предприятиях, имеющих типичные характерные черты и динамику переходного периода, построены нелинейные регрессионные модели распределения длины скважин, пробуренных за год, в зависимости от календарного времени, количества буровых станков и коэффициента их использования. По закономерностям, выявленным в моделях, дана интерпретация переходных процессов и прогнозные оценки развития производства буровых работ.

Ключевые слова: карьер, добыча, руда, производство буровых работ, буровые станки, показатели, длина скважин, регрессия, модель, прогноз.

Бурение взрывных скважин на железорудных карьерах происходит на первом этапе горно-технологических процессов, и на 25...30 % определяет стоимость добытой руды и общие эксплуатационные расходы. Прогнозирование и планирование объемов бурения и связанного с ним парка буровых станков напрямую определяется состоянием горного производства в России [1].

За последние 35 - 40 лет горное производство в России существенно изменилось в связи с переходом промышленной инфраструктуры и управления к рыночной экономике. Наметившийся в 1980-е годы умеренный рост объемов добычи с начала 1990-х годов резко нарушился. Возникший кризис в металлургии в 1993 - 2000 гг. привел железорудную отрасль в России в состояние такой же неопределенности. В работе [1] отмечаются переходные периоды спада объемов горного производства (1991 -1994 гг.), неустойчивой стабилизации (1995 - 1998 гг.) и, начиная с 1999 г., относительного роста.