РАБОЧАЯ ЖИДКОСТЬ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ
HYDRAULIC FLUID FOR HYDRAULIC SYSTEMS

Изобретение относится к рабочим жидкостям для гидросистем, в т.ч. запорной арматуры магистральных газопроводов и нефтепроводов.
К рабочим жидкостям указанного назначения предъявляются требования, обусловленные сложными условиями их эксплуатации, а именно: жидкости должны сохранять работоспособность в диапазоне температур от минус 70 до плюс 70°С, стабильность в течение всего срока хранения и эксплуатации, должны быть инертны к материалам гидросистем, обладать хорошими смазывающими свойствами и не проявлять токсического воздействия.
Широкое распространение в промышленности получили гидравлические жидкости на основе товарных фракций нефти и минеральных масел из-за их доступности и целого комплекса положительных свойств - хорошей смазывающей способности, совместимости с различными присадками и т.д. К недостаткам этой группы продуктов можно отнести их склонность к окислению, высокую зависимость вязкости от температуры, растворяющую способность по отношению к неметаллическим материалам гидросистем (прокладкам и уплотнениям), летучесть.
Известна гидравлическая жидкость для гидросистем кранов магистральных газопроводов (Авторское свидетельство СССР №721465 от 29.06.1973) на основе минерального масла, содержащая 2,6 дитрет-бутил-4-метилфенол, загущающую присадку и антраниловую кислоту. По своим техническим характеристикам жидкость не обеспечивает устойчивой работы кранов более 6 месяцев при температуре окружающей среды ниже минус 55°С. При низких значениях температуры резко возрастает значение вязкости, увеличивается механическая нагрузка и продолжительность переключения запорных кранов газовых магистралей.
Из числа синтетических жидкостей широкое распространение получили полидиметилсилоксановые жидкости линейной структуры, обладающие малой зависимостью вязкости от температуры и низкими температурами застывания.
Недостатком полидиметилсилоксановых жидкостей является их неудовлетворительная смазывающая способность по отношению к парам сталь - сталь. В большинстве случаев значительно уступает смазывающей способности нефтяных масел. Введение же поверхностно-активных веществ для улучшения смазывающих свойств существенно затруднено из-за плохой их совместимости с полидиметилсилоксанами.
Устранение вышеперечисленных недостатков при сохранении высоких эксплуатационных свойств гидравлических жидкостей может быть достигнуто компаундированием нефтяных фракций с полидиметилсилоксанами.
Большинство из известных нефтяных фракций несовместимо с полидиметилсилоксановыми жидкостями. Единственной нефтяной фракцией, хорошо совместимой с полидиметилсилоксанами, являлась керосиногазойлевая фракция, производимая при переработке нефти Ярегского месторождения Республики Коми.
Известна рабочая жидкость (Патент РФ №20795231997) для гидравлической системы газопроводов, производимая в соответствии с ТУ 6-05-11687721-97, представляющая собой смесь полидиметилсилоксановой жидкости ПМС-20 или ПМС-20р и керосиногазойлевой фракции нефти Ярегского месторождения Республики Коми, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Полидиметилсилоксановая жидкость
40-60
Фракция нефти
60-40
Жидкость обладает хорошими техническими характеристиками. Однако практическая эксплуатация рабочей жидкости выявила ряд ее недостатков:
- появление кристаллической фазы при длительном воздействии низких температур (при минус 50°С в течение 20 часов);
- проявление кислотности продукта в процессе эксплуатации;
- ограниченный диапазон вязкости жидкости вследствие пониженной вязкости компонентов, что ограничивает ее применение.
В результате воздействия этих факторов в процессе длительной эксплуатации (через 3-6 месяцев) наблюдается забивка гидропривода запорной арматуры, снижение надежности и быстродействия системы автоматического управления гидроприводом.
1
1
Известна жидкость ПМС-20к (Патент РФ №2184770, 2002), представляющая смесь полидиметилсилоксановой жидкости, производимой в соответствии с требованиями ГОСТ 13032-77 или ТУ 6-05-116-87721-022-97, и керосино-газойлевой фракции нефти Ярегского месторождения (Республика Коми), производимой в соответствии с требованиями ТУ 38.00145-87, и присадки ωω-гексаметил-метил(2,6-дитрет-бутил-4-метилфенокси)олигодиметилсилоксана, или смолы АО-80, взятых в соотношении, (мас.%):
Полиметилсилоксановая жидкость
40-60
Присадка
0,05-3,0
Смола АО-80
1-5
Керосиногазойлевая фракция нефти
Ярегского месторождения
до 100
Однако указанная жидкость обладает невысокими смазывающими свойствами, что приводило к заклиниванию трущихся пар «сталь по стали», а также возможностью получения ограниченного ассортимента по показателю «вязкость» рабочих жидкостей. Кроме того, по данному составу не представляется возможным получить жидкости с вязкостью, аналогичной широко применяемым маслам, что существенно ограничивает возможности жидкостей в основной массе гидросистем.
2
Наиболее близкой является рабочая жидкость для гидравлических систем газопроводов, включающая полиметилсилоксановую жидкость линейного или разветвленного строения, фракцию нефти с температурой кипения 165-315°С и органическую добавку, представляющую собой высококипящую фракцию нефти с температурой кипения 320-352°С (Патент РФ №2285717, 2005). Жидкость обладает высокими эксплуатационными характеристиками, однако широкое применение ее ограничено низкой вязкостью. Жидкость, получаемую по прототипу, не представляется возможным применять в гидросистемах, где допускается использование только масел с вязкостью не менее 10 мм/с при 50°С (взамен масел ВМГЗ, АМГ-10 и др.).
Техническим результатом изобретения является повышение надежности и быстродействия систем автоматического управления гидроприводами различных конструкций и назначения благодаря высоким реологическим и смазывающим свойствам (до 0,38 по предлагаемому изобретению и до 0,42 по прототипу), обеспечение высоких эксплуатационных характеристик рабочих жидкостей для гидравлических систем в любой климатической зоне России (от минус 70 до плюс 70°С) и при повышенных температурах эксплуатации (до 130°С), стабильная эксплуатация систем управления без заклинивания рабочих механизмов управления, забивок, коррозии и слома, а также возможность получения рабочих жидкостей с широким диапазоном вязкости для гидросистем различных типов.
2
2
Указанный результат достигается тем, что в качестве рабочей жидкости используются композиции на основе полиметилсилоксановых жидкостей с широким диапазоном вязкостей (от 5 до 200 мм/с) с фракциями нефти 3-15 мм/с при температуре 20°С Троицко-Анастасиевского месторождения с температурой кипения от 165 до 370°С или с низкозастывающей минеральной основой (например, масло ВГ), вырабатываемой посредством гидрокаталитического процесса при следующих соотношениях компонентов (мас.%):
Полиметилсилоксановая жидкость
27-60
Фракция нефти или
низкозастывающая минеральная основа
40-73
Отличительной особенностью изобретения является:
2
- использование полиметилсилоксановых жидкостей с широким диапазоном вязкости (от 5 до 200 мм/с);
- использование нескольких фракций тяжелой нефти (с температурой кипения от 165 до 370°С);
- использование в качестве компонента низкозастывающей минеральной основы, вырабатываемой посредством гидрокаталитического процесса;
- более широкий диапазон соотношений компонентов.
Использование различных марок полиметилсилоксановых жидкостей, как и различных нефтяных фракций, позволяет варьировать вязкостные свойства композиций в широких пределах (от 6,96 сст до 24,0 сст при 20°С), причем композиции не расслаиваются при температурах до -60°С ÷ -70°С.
Авторам не известно аналогичное или близкое техническое решение, обеспечивающее возможность получения жидкостей для гидросистем на основе полидиметилсилоксановых жидкостей и фракций нефти, а также обеспечивающее надежность и длительный ресурс работы гидросистем, в частности запорной арматуры газовых магистралей.
Анализ предложенного решения и прототипа позволяет сделать вывод о соответствии предложенного решения критерию «новизна».
Характеристика компонентов рабочей жидкости:
1. Полиметилсилоксановые жидкости:
Значение вязкости
5-200 мм<sup>2</sup>/сек при 20°С
Плотность жидкости
0,92-0,98 г/см<sup>3</sup> при 20°C
Температура застывания
не выше минус 60°С
Температура кипения при остаточном давлении 1-3 мм рт.ст.
выше 180°С.
Жидкости инертны по отношению к конструкционным материалам гидравлической системы запорной арматуры.
2. Нефтяные фракции:
Фракции нефти Троицко-Анастасиевского месторождения, выкипающие в интервале температур 165-370°С, или низкозастывающая минеральная основа, вырабатываемая посредством гидрокаталитического процесса.
Значение вязкости
3-13 мм<sup>2</sup>/сек при 20°С, или 3-15 мм<sup>2</sup>/сек
Содержание серы
менее 0,01 мас.%
Содержание парафинов
не более 0,5 мас.%
Температура застывания
не более минус 50°С.
Пример 1. Получение гидравлической жидкости.
В трехгорлую колбу, снабженную мешалкой, капельной воронкой и термометром загружают взвешенное количество (40,0 г) полиметилсилоксановой жидкости ПМС-20, включают обогрев и мешалку. Из капельной воронки подают определенное количество (57,5 г) фракции тяжелой нефти с температурами перегонки от 180 до 340°С. Смесь прогревают при температуре 50°С в течение 1 часа при перемешивании. После охлаждения смесь фильтруют.
Примеры 2-13 проводят аналогично примеру 1 с использованием полиметилсилоксановых жидкостей различных вязкостей, различных фракций нефти Троицко-Анастасиевского месторождения или низкозастывающей минеральной основой (масла ВГ), вырабатываемой посредством гидрокаталитического процесса, а также при различных соотношениях компонентов (см. табл.1). Полученный готовый продукт представляет собой прозрачную жидкость желтого цвета.
Анализ жидкостей проводили по следующим показателям:
1. Кинематическая вязкость при 20°С, минус 50°С по ГОСТ 33-86.
2. Температура застывания по ГОСТ 20841.3-75
3. Температура начала кристаллизации по ГОСТ 18995.5-73.
4. Диаметр пятна износа на 4-шариковой машине трения.
5. Кислотное число по ГОСТ 5985-79.
6. Плотность при 20°С.
7. Содержание воды
Таблица 1.
Количества загружаемых компонентов (% масс.)
№ примера
ПМС
Фракция нефти (температуры перегонки)
1
60 (ПМС-20)
40 (180-340)
2
46 (ПМС-50)
54 (180-340)
3
43 (ПМС-20)
57 (170-370)
4
34 (ПМС-100)
66 (180-340)
5
30 (ПМС-50)
70 (160-360)
6
27 (ПМС-100)
73 (180-340)
7
50 (ПМС-50)
50 (165-280)
8
40 (ПМС-200)
60 (165-280)
9
50 (ПМС-6)
50 (масло ВГ)
10
40 (ПМС-6)
60 (масло ВГ)
11
50 (ПМС-5)
50 (масло ВГ)
12
30 (ПМС-5)
70 (масло ВГ)
13
40 (ПМС-10)
60 (масло ВГ)
Эксплуатационные и физико-химические свойства гидрожидкости приведены в таблице 2.
Таблица 2.
Свойства композиционных жидкостей
Показатели
Примеры
1
2
3
4
5
6
7
8
Кинематич. вязкость, мм<sup>2</sup>/сек
при 20°С,
6,96
9,85
12,98
8,77
9,49
8.75
9,10
24,0
при -50°С
76,9
116,6
200,3
184,9
199,8
97,0
89,1
126,5
Температ. застывания, °С
Ниже -70
Ниже -70
Ниже -70
Ниже -70
Ниже -70
Ниже -70
Ниже -70
Ниже -70
Диам. Пятна износа на 4-шариковой машине трения, мм
0,42
0,39
0,40
0,42
0,35
0,39
0,39
0,38
Кислотное число мг КОН\г
0,028
0,033
0,019
0,032
0,032
0,013
0,012
0,018
Температура кристаллизации, °С
Не кристаллизуется
Не кристаллизуется
Не кристаллизуется
Не кристаллизуется
Не кристаллизуется
Не кристаллизуется
Не кристаллизуется
Не кристаллизуется
Плотность, г/см<sup>3</sup>
0,8949
0,8444
0,8870
0,8824
0.8784
0,8730
0,8910
0,8945
При 20°С
Содержание воды, %
отсутствие
отсутствие
отсутствие
отсутствие
отсутствие
отсутствие
отсутствие
отсутствие
Продолжение таблицы 2.
Показатели
Примеры
9
10
11
12
13
Кинематич. вязкость, мм<sup>2</sup>/сек
при 20°С,
8,3
8,8
7,8
9,1
10,5
при -50°С
266
454
118
670
870
Температ. застывания, °С
Ниже -60
Ниже -60
Ниже -60
Ниже -60
Ниже -60
Диам. пятна износа на 4-шариковой машине трения, мм
0,38
0,37
0,38
0,38
0,37
Кислотное число мг КОН\г
0,011
0,010
0,011
0,010
0,010
Температура кристаллизации, °С
Не кристаллизуется
Не кристаллизуется
Не кристаллизуется
Не кристаллизуется
Не кристаллизуется
Плотность, г/см<sup>3</sup>
0,9115
0,8942
0.907
0,8769
0,8942
При 20°С
Содержание воды, %
отсутствие
отсутствие
отсутствие
Отсутствие
отсутствие
2
2
2
Из анализа примеров в таблицах 1 и 2, можно сделать вывод, что все полученные композиции удовлетворяют требованиям, предъявляемым к рабочим жидкостям для гидросистем. Значение вязкости при +20°С - 5,7 - 24 мм/сек. При минус 50°С - 76,9-1250 мм/сек. Температура застывания - ниже минус 60-70°С. Температура начала кристаллизации - не кристаллизуется. Диаметр пятна износа - 0,38-0,42 мм, т.е. жидкости обладают более высокими смазывающими свойствами по сравнению с прототипом. Кроме того, вязкость гидравлических жидкостей может варьироваться от 6,96 до 24,0 мм/сек, что позволяет получать жидкости для различных гидросистем, в том числе и для гидросистем, где применяются только маловязкие масла типа АМГ-10.
Все физико-химические характеристики гидрожидкостей остались без изменений при повторном анализе, проведенном через 6 месяцев.
В процессе эксплуатации не происходит изменений физико-химических свойств заявляемого объекта гидрожидкости, что является гарантией надежности работы системы гидропривода и позволяет сделать вывод о соответствии предложенного решения критерию «промышленная применимость».
Анализ полученных результатов показывает, что предложенная жидкость обладает новой совокупностью свойств, и полученный результат не является следствием суммирования известных свойств компонентов предложенного состава.
Описанный эффект отражает качественный и количественный скачок в изменении свойств, не прогнозируемый на основе имеющихся представлений, и поэтому являющийся неожиданным.
Авторам не известны решения, содержащие признаки, сходные с отличительными признаками предложенного решения с достижением описанного технического результата. Все вышесказанное обеспечивает предложенному решению соответствие критерию «изобретательский уровень».