ЗАЩИТНОЕ УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ ПОРОШКОВОЕ ПОКРЫТИЕ НА ОСНОВЕ ПОЛИСУЛЬФОНА ДЛЯ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ОТВЕТСТВЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ
PROTECTIVE SEALING POWDER COATING BASED ON POLYSULPHONE FOR THREAD CONNECTIONS OF RESPONSIBLE PRODUCTS

Защитное уплотнительное порошковое покрытие на основе полисульфона для резьбовых соединений ответственных изделий
Изобретение относится к защитным порошковым покрытиям на базе полимеров, обладающих специальными функциональными свойствами, и может успешно применяться в нефтегазовой отрасли.
Проблема коррозии и износа резьбовых соединений, как правило, остается без должного внимания со стороны производителей нефтегазового оборудования и эксплуатирующих месторождения компаний. При этом резьбовые соединения являются одним из наиболее подверженных коррозии элементов нефтедобывающего оборудования и трубопроводов. Защита резьбовых соединений от коррозии позволила бы значительно сократить эксплуатационные расходы в ходе разработки полезных ископаемых. Особенно актуальной является защита насосно-компрессорных труб с резьбовыми соединениями. Зона резьбового соединения является одной из наиболее подверженных коррозии и износу мест в таких трубах. Напряжения, создаваемые в районе резьбы, а также значительное утончение труб в этом месте, способствуют быстрому распространению коррозии. Именно поэтому на скважинах часто происходят аварии, причиной которых становится обрыв колонн в зоне резьбового соединения. Еще одним неприятным последствием коррозии резьбовых соединений является потеря герметичности насосно-компрессорных труб и, как следствие, необходимость их замены.
Защитное уплотнительное порошковое покрытие на основе полисульфона позволит не только защитить резьбу от коррозии, но и доведет минимальное количество «скручиваний-раскручиваний» до 40-45 циклов, при том, что хорошим результатом сегодня считается 20-25 циклов.
Из патента BY 10391, 28.02.2008 известен композиционный материал для покрытий деталей узлов трения различных машин и механизмов на основе полиамида 11 с добавлением политетрафторэтилена и слоистого силикатосодержащего минерала (например, монтмориллонита).
К недостаткам метода можно отнести применение в качестве базового полимера полиамида, не обладающего достаточной теплостойкостью, химической стойкостью и долговечностью, а также модифицирование полимерной матрицы крупными (более 5 мкм) частицами силикатосодержащего минерала, что не позволяет добиться максимального упрочняющего эффекта и достаточной гидрофобности покрытия.
В работах JP 03159736, 09.07.1991 (D2) и BY 9397, 30.06.2007 (D3) в качестве основ композиционных покрытий используются другие полимерные матрицы и добавки (полиэфирсульфон, неизвестный тип политетрафторэтилена и т.д.), а также очищенные и модифицированные упрочняющие наполнители (монтмориллонит), а также не до конца раскрыты технологии их получения. Таким образом, указанные отличительные признаки не являются известными.
Авторская разработка по патенту US 5376996, 27.12.1994 (D2) касается покрытия на основе полифениленсульфида, содержащего до 40 масс. % политетрафторэтилена и возможные упрочняющие добавки. Однако такой состав характеризуется крайне низкой адгезией к металлической подложке из-за применения чистого политетрафторэтилена. В качестве модифицирующей добавки предлагается использовать глину, но не указывается конкретный тип, что, в свою очередь, может оказывать сильное влияние на свойства покрытия. Предложенный жидкофазный метод не позволяет получать однородную механическую смесь или гомогенный состав из-за разной природы используемых полимеров. Таким образом, такой состав может быть эффективно применен лишь в полиграфии для валиков термического закрепления.
В данном изобретении предложен состав, обеспечивающий не только максимальные физико-механические свойства, но и высокий уровень адгезии к металлической подложке.
Новый технический результат изобретения заключается в получении эффективного защитного уплотнительного порошкового покрытия на основе полисульфона с размером частиц 60-120 мкм и улучшенными физико-механическими, тепловыми и трибологическими свойствами для резьбовых соединений ответственных изделий.
Достигается технический результат тем, что в составе помимо полисульфона дисперсностью 60 мкм с температурой стеклования не менее 210°C содержится ультрадисперсный порошок (частицы размером менее 100 нм со слоистой структурой, собранные в конгломераты) Na-монтмориллонита и порошок политетрафторэтилена 4-МБ дисперсностью 60 мкм при следующем соотношении, масс. %: полисульфон - 50-58; политетрафторэтилен 4-МБ - 24-28; монтмориллонит - 18-22.
Заявленный состав может быть получен следующим способом. В качестве исходных материалов используются промышленные порошки полисульфона с температурой стеклования не менее 210°C и политетрафторэтилена 4-МБ, а также ультрадисперсный порошок монтмориллонита. Состав компонентов в композиции отвечает соотношению, масс. %: полисульфон - 50-58; политетрафторэтилен 4-МБ - 24-28; монтмориллонит - 18-22.
Компоненты, взятые в вышеуказанной пропорции, смешиваются в шаровом активаторе планетарного типа. Время механохимической обработки на активаторе типа АПФ-3/МПФ-1 составляет 30-35 минут.
Полученный таким образом материал представляет собой порошок коричневого цвета с размером частиц 60-120 мкм, не требующий дополнительной обработки. Готовый состав можно наносить на стальные изделия методом электростатического напыления. Пример защитного уплотнительного порошкового покрытия на основе полисульфона представлен на Фигуре 1, где изображено защитное покрытие на резьбе насосно-компрессорной трубы.
Испытания показали, что до потери герметичности резьбового соединения при использовании защитного уплотнительного порошкового покрытия на основе полисульфона требуется не менее циклов 40 «соединение-разъединение». Возможность промышленной применимости предлагаемого способа и полученного с его использованием полимерного покрытия на основе полисульфоната подтверждается следующим примером реализации.
Пример
В качестве исходных материалов использовались Na-монтмориллонит (ММТ) с Таганского месторождения (Казахстан) с размером частиц менее 100 нм, порошок полисульфона (ПС) ULTRASON S2010 дисперсностью 60 мкм производства BASF и порошок политетрафторэтилена 4-МБ (ПТФЭ) дисперсностью 60 мкм производства ОАО «ГалоПолимер».
Состав защитного уплотнительного порошкового покрытия на основе полисульфона для резьбовых соединений ответственных изделий, отличающийся тем, что содержит ультрадисперсный порошок монтмориллонита и порошок политетрафторэтилена 4-МБ при следующем соотношении, масс. %: полисульфон - 50-58; политетрафторэтилен 4-МБ - 24-28; монтмориллонит - 18-22.
Коэффициент заполнения мелющими телами рабочего барабана составил 0,5, общий коэффициент заполнения рабочего барабана - 0,75. Мелющими телами были шарики диаметром 5 и 8 мм, выполненные из стали ПГХ15.
Представленные выше порошки полисульфона, политетрафторэтилена 4-МБ и монтмориллонита были помещены в реакторы в соотношении 50/28/22, 54/26/20 и 58/24/18 (масс. %) соответственно и смешаны в АПФ-3 в течение 30 минут.
Для испытаний свойств покрытий (для резьбовых соединений) было предложено две методики, позволяющие определить герметичность резьбовых соединений во время длительной эксплуатации.
Первая методика заключается в погружении в ванну с водой трубы диаметром 73 мм и муфты. С одной стороны труба и муфта имеют нарезанную резьбу с нанесенным защитным покрытием, а с другой они герметично заварены. При соединении трубы и муфты образуется единый элемент, который погружается в ванну на глубину 0,5 м. Каждые 24 часа труба и муфта извлекаются, сушатся и разъединяются для оценки герметичности. Внутренняя поверхность трубы и муфты обработана специальной легкосмываемой краской, которая позволяет определить попадание воды внутрь элемента. Испытание продолжается до тех пор, пока не будут обнаружены следы воды на внутренней поверхности трубы или муфты. Для оценки герметичности по данной методике было сделано 30 элементов с защитным покрытием на резьбах.
Вторая методика отличается от первой тем, что муфта на заваренном конце имеет отверстие, в которое поступает вода под давлением 5 атм. Таким образом, герметичность резьбового соединения проверяется под избыточным давлением, создаваемым внутри элемента. Каждые 30 минут элемент разбирался и собирался заново. Для оценки герметичности по данной методике было произведено 50 элементов с защитным покрытием на резьбах.
Разработанные защитные покрытия показали высокую эффективность в плане увеличения количества циклов «соединение-разъединение» резьбовых соединений. Количество циклов «соединение-разъединение» резьбовых соединений было увеличено в среднем в два раза по сравнению с необработанными резьбами. Испытания показали, что до потери герметичности требуется не менее циклов 40 «соединение-разъединение».