Улучшение триботехнических свойств полимерных материалов в узлах трения нефтегазового оборудования

УДК 620.178.162

О. А. Макаренко, В. В. Кравцов, Н. В. Шутов

Улучшение триботехнических свойств полимерных материалов в узлах трения нефтегазового оборудования

Уфимский государственный нефтяной технический университет 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

Предложен улучшенный состав резиновой смеси уплотнительных элементов и эпоксидного покрытия на стали с целью снижения коэффициента трения и повышения износостойкости узла трения. При разработке состава резины в качестве основы выбран каучук СКН-40. Определены технологические, реологические и механические характеристики полученной резины. Уменьшение износа трущихся поверхностей достигнуто введением в состав эпоксидной композиции специальных трибополимеробразующих добавок (ТПОД). На примере уплотнений плавающих крыш и понтонов в резервуарах показано, что совершенствовании рецептур резиновой смеси для изготовления гибкой завесы и введение ТПОД в состав эпоксидного покрытия дает существенное снижение коэффициента трения и показателей износа покрытия.

Ключевые слова: каучук, резиновая смесь, эпоксидное покрытие, узел трения, трибо-полимеробразующая добавка, коэффициент трения, износ.

Для большинства узлов трения оборудования нефтегазовой отрасли характерно совместное или попеременное действие воды и нефти (или нефтепродуктов). Обычно сохранность герметичности соединения деталей оценивают по суммарному износу поверхностей уплотнительных элементов в зоне контакта.

В некоторых конструкциях существует дополнительное условие минимального износа одного из контр-тел. В старых стальных резервуарах с плавающими крышами или понтонами выбор материала уплотнителя («гибкой завесы») определялся скоростью износа использованной для изготовления марки резины, поскольку износ стальной стенки резервуара, имеющей более высокую твердость и износостойкость, практически отсутствовал 1. В последние годы на всех предприятиях, эксплуатирующих резервуарные парки, введены положения об обязательном применении на вновь вводимых резервуарах защитных эпоксидных и других лакокрасочных покрытий внутренней поверхности. Для обеспечения срока защитно-

Дата поступления 28.04.06

го действия 10—15 лет толщина их составляет от 100 до 150 мкм. В этих условиях истирание покрытия за счет трения с гибкой завесой может привести к снижению защитных свойств покрытия. Поэтому одной из задач работы является изучение и корректировка составов резиновой смеси и эпоксидного покрытия на стали с целью снижения коэффициента трения и повышения износостойкости узла трения.

Резины, изготовленные на базе различных каучуков, имеют свои преимущества и недостатки, которые в литературе освещаются противоречиво, в связи с конкретной задачей. Показатели сравнения каучуков носят условный характер, так как очень часто требуемые свойства достигаются не только за счет каучука, но и других ингредиентов.

Выбор каучуков, принятие решения по большому количеству показателей, вызывают определенные трудности и зачастую носят субъективный характер. В работе 2 был использован квалиметрический метод выбора типа каучука и состава резины по величине обобщенного критерия, определяемого как свертка единичных показателей с учетом их весовых коэффициентов.

Изучались свойства бутадиенстирольного, бутадиеннитрильного, акрилатного, уретано-вого, фторсилоксанового, этиленпропиленово-го и фторкаучука. В качестве сравниваемых характеристик были взяты прочность при растяжении, эластичность, относительное удлинение при растяжении, износостойкость при трении, стойкость в воде и нефтепродуктах, термостойкость, морозостойкость, стоимость, технологичность. По анализируемым показателям лучшим был определен бутадиен-нитрильный каучук.

При разработке состава резины в качестве основы выбран каучук СКН-40, содержащий до 40% акрилонитрила (по ранее полученным данным 2, этот компонент способствует повышению износостойкости каучука).

Известно также, что износостойкость резин чаще всего имеет экстремальную зависи-

мость от содержания технического углерода. На основании серии опытов была установлена доля технического углерода ПМ-75 в резиновых смесях на основе непредельных каучуков, которая составляла 50—60 мас. ч. Учитывали также, что при повышении дисперсности технического углерода износостойкость резин на основе всех исследованных каучуков возрастает.

Вместе с тем, с ростом содержания акри-лонитрила ухудшается морозостойкость (оценивали по величине остаточной деформации после сжатия при пониженной температуре). В результате резкого замедления релаксационных процессов при понижении температуры возрастают твердость, модуль упругости и потери на внутренне трение, снижается эластичность образцов, что ухудшает работоспособность резиновых изделий, особенно в динамических условиях.

Поскольку из всех бутадиеннитрильных каучуков наиболее морозостойким является СКН-18, в резиновую смесь, соответствующую рецептуре СКН-40, вводили дибутилсебаци-нат, увеличивая вместе с тем содержание технического углерода. Введение дибутилсебаци-ната и морозостойкого бутадиенстирольного каучука позволило улучшить морозостойкость до уровня морозостойкости резин на основе СКН-18.

Выбранные нами каучуки сами по себе достаточно теплостойки. Для дополнительного повышения теплостойкости введены ингибиторы ацетонанил Р, диафен ФП и амид тиофос-фоновой кислоты 3. С целью лучшего совмещения бутадиеннитрильного и бутадиен-стирольного каучуков в резиновую смесь добавляли гексахлорксилол, а в качестве технического углерода использовали наиболее высокодисперсный технический углерод ПМ-100.

Для усиления ингибируюшей группы с помощью термогравиметрического метода

Режим изготовлени

(по выявлению синергетического эффекта) подобрана смесь ингибиторов амидтиофосфо-новой кислоты (Б-25), диафена ФП и ацетона-нила в соотношении 0.5 : 1.0 : 0.5 мас. ч. Режим изготовления резиновых смесей на вальцах 630 х 315 приведен в табл. 1.

Температура смешения ингредиентов с каучуками не превышала 70 оС, а при введении тиурама и серы валки охлаждали до температуры не выше 40—50 оС.

Определены реологические и механичес-

кие характеристики резин:

Пластичность 0.096

Вязкость по Муни, 100° х 6 мин 100

Подвулканизация 120°, мин 23

Усталостная прочность при растяжении, МПа 23.6

Относительное удлинение, % 500

Твердость 79

Истираемость, см3 /квт • ч 136

Степень набухания

в масле трансформаторном, % 5.70

в воде, % 2.34

Несмотря на существенное уменьшение износа за счет снижения коэффициента трения резинового уплотнителя, актуальность проблемы дальнейшего снижения износа лакокрасочного покрытия на стали сохраняется. Анализ работ 3 4 позволил сделать предположение о возможности уменьшения износа трущихся поверхностей введением в состав полимеров специальных трибополимеробразующих добавок (ТПОД). Разработка ТПОД основана на идее создания ими на трущихся поверхностях пленок полимеров, обеспечивающих противоизносное, противозадирное и антифрикционное действие 4. Предполагается, что такие пленки должны образовываться на локальных участках шероховатостей трущихся поверхностей, испытывающих макси-

Таблица 1

резиновых смесей

Стадия изготовления смеси Начало, мин Конец, мин

Пластикация каучука 0 10

Смешение СКН-40 и СКМС. Ввод гексола 10 11

Ввод инденкумароновой смолы, стеарина,1/2 технического углерода 11 16

Ввод 1/2 технического углерода, дибутилсебацината 16 22

Ввод всех остальных ингредиентов за исключением серы и тиурама 22 24

Ввод серы и тиурама 24 25

Пропустить смесь «куклой» 25 26

Снятие с валков 26

Результаты испытаний триботехнических свойств пар трения «резина - эпоксидное покрытие на стали»

Таблица 2

Пара трения Коэффициент трения Интенсивность износа эпоксидного покрытия

г/(м2 • год) мкм/год

По - Ро 0.44 0.012 18.2

По - Рн 0.32 0.008 11.7

Рн - Ро 0.34 0.010 14.8

Рн - Рн 0.16 0.004 5.9

мальной контактное взаимодействие при взаимном перемещении.

Применение ТПОД (вместо обычно применяемых дисульфида молибдена, графита и др.) обеспечивает работоспособность узла трения за счет образования антифрикционных пленок полимеров, их истирания и возобновления в процессе работы. Тем самым достигается повышенная долговечность деталей в узлах трения.

С учетом предшествующих положительных результатов, полученных авторами патента РФ 5, в качестве ТПОД применили трехком-понентный состав, который формируется на основе гексаметилендиизоцианата (57%), поливинилового спирта (28%) и дибутилфталата (15%). Предполагается, что образующийся полимер (полиуретан) частично заполняет локальные изношенные участки на поверхности изношенного лакокрасочного покрытия. Из анализа микрофотографий сделано заключение 4, что образующиеся в условиях трения фибрилльные структуры ориентируются в направлении трения и сшиваются, создавая пленки трибополимеров, также ориентированные в направлении трения.

Для оценки эффективности нового технического решения в качестве количественной характеристики нами принят гравиметрический показатель стойкости к износу.

Для приготовления образцов применили резины В-14 (базовый вариант Р0) и резину по предлагаемой рецептуре (новый вариант Рн). Покрытия эпоксидной краской марки ЭП-755 без добавок (П0) и с добавкой ТПОД в количестве 2% (Пн) наносили на отпескоструенные стальные образцы по общепринятой технологии 6 в 4 слоя. Общая толщина покрытий составляла 100 мкм. Коэффициент сухого трения пары «резина — эпоксидное покрытие на стали» определяли при температуре 293К, ин-

тенсивность износа эпоксидного покрытия — при температуре 293К и скорости относительного перемещения контр-тел 0.3 м/с. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Таким образом, целенаправленное воздействие на материалы деталей пар трения уплотнений плавающих крыш и понтонов в резервуарах, заключающееся в совершенствовании рецептур резиновой смеси для изготовления гибкой завесы и введение трибополимеробра-зующих добавок в состав эпоксидного покрытия дает существенное снижение коэффициента трения и показателей износа покрытия и имеет перспективу широкого практического внедрения.

Литература

1. Макаренко О. А. Совершенствование конструкций резервуаров с плавающими крышами (понтонами): Автореф. канд. диссертации.— Уфа.— 2000.- 25 с.

2. Шутов Н. В. Совершенствование рецептур резиновых смесей для повышения работоспособности уплотнений: Дис....канд. техн. наук. — Уфа.- 2002.— 136 с.

3. Хафизов А. Р., Шутов Н. В., Шайдаков В. В., Кравцов В. В. / Тез. докл. «Проблемы нефтегазового комплекса Западной Сибири и пути повышения его эффективности», 2002 г.— Кога-лым, 2002.— С. 214.

4. Заславский Ю. С., Заславский Р. Н., Нестеров А. В. Твердое смазочное покрытие на основе трибополимеробразующих соединений. // Современные технические и технологические методы повышения качества, надежности и долговечности деталей машин.— Кишинев.— 1976.— С. 14.

5. Патент РФ № 2215757, РФ / Кравцов В. В., Шайдаков В. В., Шутов Н. В. // Б. И.— 2000.— №31.— С. 500

6. Руководство по защите строительных металлоконструкций, работающих в агрессивных средах и различных климатических условиях. — М.: Стройиздат, 1974.— 208 с.