КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ НАСОСОВ СИСТЕМЫ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.22-253, 691.175

DOI 10.46920/2409-5516_2022_11177_30

EDN: ARQLCE

Композитные материалы для магистральных насосов системы трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов

Use of composite materials for main pumps of the oil and products pipeline transport

И.ФЛЕГЕНТОВ

Заведующий лабораторией механо-технологического оборудования ООО «НИИ Транснефть» e-mail: FlegentovIA@niitnn.transneft.ru

I. FLEGENTOV

Head of laboratory of mechanical and technological equipment Transneft R&D e-mail: FlegentovIA@niitnn.transneft.ru

Д. СТАРШИНОВ

Заместитель заведующего лабораторией механо-технологического оборудования ООО «НИИ Транснефть» e-mail: StarshinovDM@niitnn.transneft.ru

D. STARSHINOV

Deputy head of laboratory of mechanical and technological equipment Transneft R&D e-mail: StarshinovDM@niitnn.transneft.ru

СЧ

о

СЧ

А. ИВАНОВ

Ведущий научный сотрудник лаборатории механо-технологического оборудования ООО «НИИ Транснефть» e-mail: IvanovAG@niitnn.transneft.ru

A. IVANOV

Lead researcher of laboratory of mechanical and technological equipment Transneft R&D e-mail: IvanovAG@niitnn.transneft.ru

<

о

СЦ <

Ю. МИХЕЕВ

Ведущий научный сотрудник лаборатории механо-технологического оборудования ООО «НИИ Транснефть» e-mail: MikheevYB@nittnn.transneft.ru

Е. РЯБЦЕВ

Старший научный сотрудник лаборатории механо-технологического оборудования ООО «НИИ Транснефть», к. т. н. e-mail: RyabtsevEA@niitnn.transneft.ru

Y. MIKHEEV

Lead researcher of laboratory of mechanical and technological equipment Transneft R&D e-mail: MikheevYB@nittnn.transneft.ru

E. RYABTSEV

Senior researcher of laboratory of mechanical and technological equipment Transneft R&D, P.H.D. e-mail: RyabtsevEA@niitnn.transneft.ru

Аннотация. Актуальной задачей для развития отрасли магистрального трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов является увеличение долговечности, безотказности и эффективности работы основного насосного оборудования нефтеперекачивающих станций. Одним из способов повышения технических показателей магистральных насосов для перекачки нефти и нефтепродуктов является внедрение новых композитных и наноструктурированных материалов в элементы конструкции. В статье рассмотрены основные подходы в применении композитных материалов для магистральных насосов транспорта нефти и нефтепродуктов, исследованы прочностные свойства выпускаемых в РФ композитных материалов и проведён анализ их возможного применения в конструкциях насосов в целях повышения эффективности и долговечности работы гидромашин. На основании проведенных исследований сформированы предложения по модернизации магистральных насосов и сделаны выводы о перспективности внедрения новых материалов для применения в насосном оборудовании магистрального трубопроводного транспорта. Ключевые слова: композитный материал, полимерный материал, рабочее колесо насоса, магистральный насос, подшипник, ПЭЭК.

Abstract. An important task for the industry development of the industry development of the oil and oil products main pipeline transportation is to increase the durability, reliability and efficiency of the main pumping equipment of oil pumping stations. One of the ways to improve the technical performance of oil and oil products mainline pumps is the introduction of new composite and nano-structured materials implemented into structural elements. The article reviews the main approaches to the composite materials use for the transport of oil and oil products by the main pipeline pumps, investigates the composite material properties, which are produced in the Russian Federation, and analyzes the possible use it in pump designs in order to increase the efficiency and durability of hydraulic machines. On the basis of the studies carried out, proposals for the modernization of main pipeline pumps were formed and conclusions were drawn about the prospects for the new materials introduction for use in main pipeline transport pumping equipment.

Keywords: composite material, poiymermateriai, pump impeller, pipeline pump, bearing, PEEK.

ВВЕДЕНИЕ

Исследования, касающиеся создания новых видов материалов, относятся к числу приоритетных направлений научной деятельности в связи с возможностью улучшения характеристик оборудования.

Использование того или иного вида композита в конструкции насоса определяется назначением изделия или узла в составе насоса и соответствующим комплексом свойств материала: прочность, пластичность, вязкость, а также прочие особенности, включая шероховатость, технологию получения материала и т. п.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

В связи с вариативностью свойств композитных материалов и их представлением на рынке, авторами проведено исследова-

//

Из всей номенклатуры наиболее подходящим материалом для проточных частей насосов является полиамид 66 с 40%-ным содержанием углеродного волокна

.,„ . Положительным эффект

№ п/п Область применения ^ Примечание

^ применения ^

Элементы проточной части

Подшипниковые узлы

Повышение энергоэффективности

Повышение ресурса, надежности и долговечности

Изготовление рабочих колёс из композитных материалов, нанесение специализированных композитных покрытий на проточные части

Изготовление подшипников с применением композитных материалов

Таблица 1. Анализ возможности применения композитных материалов в конструкциях магистральных насосов

гч о гч

ние технических характеристик с последующей оценкой экономической целесообразности их применения в конструкциях магистральных насосов для перекачки нефти и нефтепродуктов элементов и деталей, изготовленных из композитов. Возможность применения композитных материалов в конструкциях магистральных насосов определяется базовым назначением детали: для повышения энергоэффективности следует рассматривать проточную часть насоса (рабочее колесо), а для улучшения показателей надежности целесообразно модернизировать подшипниковый узел.

Для современных насосных агрегатов, предназначенных для транспортировки нефти и нефтепродуктов, характерно применение сталей в узлах проточной части и баббита в качестве материла вкладыша подшипника. Современные композитные материалы обладают различными преимуществами по сравнению со сталями или цветными металлами. К основным положительным качествам композитных материалов относятся в том числе низкие значения эквивалентной шероховатости и повышенные антифрикционные свойства, меньший удельный вес при изготовлении сопоставимых изделий. Анализ возможности применения композитных материалов

в конструкциях магистральных насосов приведен в таблице 1.

Применение композитных материалов для роторов магистральных насосов для транспортировки нефти и нефтепродуктов

Применение композитных материалов для изготовления рабочих колёс (рис. 1) роторов магистральных насосов позволит обеспечить повышение энергоэффективности насосного оборудования [1], благодаря свойствам материала с достижением минимальных значений шероховатости. Для подбора материала проточной части магистрального насоса, перекачивающего нефть и нефтепродукты, следует сформировать критерии отбора на основании технических характеристик материала. Критерии отбора, приведенные в таблице 2, основывались на опыте проектирования и эксплуатации насосов на объектах магистрального трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов.

Для рассмотрения возможности применения композитных материалов выбраны 4 типа насосов, эксплуатирующихся

<

Рис. 1. Конструкция рабочего колеса магистрального насоса типоразмера НМ для перекачки нефти и нефтепродуктов

с;

о

сц <

2

№п/п Требования к механическим свойствам материала Значение критерия

1 Предел прочности на растяжение, МПа, не менее 140

2 Модуль упругости при изгибе, ГПа, не менее 9

3 Предел прочности при изгибе, МПа, не менее 190

4 Устойчивость к нефти, нефтепродуктам и смазке Требуется

5 Рабочая температура перекачиваемого продукта, °С От -15 до +60

Таблица 2. Критерии отбора композитного материала для проточной части магистрального насоса

на объектах магистрального трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов: магистральные насосы ИМ 1250-260, 12НДс, НГС 315 и подпорный насос НПВ 600. В настоящее время в качестве материала рабочих колёс данных типов насосов используется сталь 20ГЛ.

Эффективность каждого конкретного применения материала зависит от функциональных требований (выдерживать механическую нагрузку, высокие температуры), геометрических параметров (размеры, форма конечного изделия) и свойств материала. Соотношение, характеризующее комбинацию свойств материала, вид нагружения и т. п.

Из широкой номенклатуры наиболее подходящим материалом для проточных частей насосов является полиамид 66 с 40%-ным содержанием длинного углеродного волокна (ПА66), отвечающий критериям прочности, жесткости и сформулированным ранее критериям.

Результаты прочностных расчетов для насосов с композитными материалами и сравнение с результатами из стали 20ГЛ приведены в таблице 3. Расчеты проводились с помощью специализированного программного комплекса АЫЗУЗ.

Результаты прочностных расчетов подтвердили, что рабочие колёса из ком-

позитного материала обладают необходимыми прочностными показателями для применения в процессе изготовления рабочих колес насосов и дальнейшей эксплуатации.

Прочностные и гидравлические расчеты рабочих колёс из композитных материалов проведены расчетно-теоретическим методом с использованием специализированного программного обеспечения. Расчеты проведены для рабочих колёс насосов различного конструктивного исполнения с учётом различных режимов подачи [2]. Гидродинамическое исследование позволило установить прогнозные значения КПД насосов с различными значениями шероховатости рабочих колес из композитных материалов.

Расчеты энергоэффективности насосов с композитными колесами из ПА66 проведены для номинальной рабочей точки насоса. Перевод из реальной шероховатости в эквивалентную песочную шероховатость, используемую в расчетах, произведен по формуле (1):

с '

е = -

(1)

где £а - шероховатость Яа, мкм; сеч - коэффициент эквивалентной шероховатости, равный 2,6.

I©

сч о сч

Таблица 3. Результаты прочностных расчетов для насосов с композитными материалами и сравнение с результатами из стали 20ГЛ

№ п/п Свойство Магистральный насос НМ 1250260 Подпорный насос НПВ600-60 Магистральный насос НГС315 Магистральный насос 12НДс

20ГЛ ПАбб 20ГЛ ПАбб 20ГЛ ПАбб 20ГЛ ПАбб

1 Предел прочности, МПа 590 180-220 590 1 80-220 590 180-220 590 180-220

2 Устойчивость к нефти + + + + + + + +

3 Минимальный коэффициент запаса при подаче Ю* 4,38 3,45 5,83 25,09 7,6 6 2,82 9,52

4 Минимальный коэффициент запаса при подаче 0,70* 4,12 3,25 5,56 30,67 7 5,52 3,02 13,14

5 Минимальный коэффициент запаса при подаче 1,20* 5 3,94 5,93 30,67 9,72 7,66 2,85 12,55

<

о

к <

* определено по результатам прочностных расчетов в ANSYS Mechanical

гч о гч

<

с;

о

СЦ <

В качестве результатов и для анализа сходимости определялись следующие выражения: 1) напор, м:

Н =

Р2 - Р1 р ■ д

(2)

где р2 - давление на выходе из нагнетательного трубопровода, Па;

р, - давление на входе во всасывающий трубопровод, Па;

р - плотность воды, кг/м3; д - ускорение свободного падения, м/с2.

2) КПД гидравлический,%: (Р2 -р,) ■ Q

Пг :

(М,+ мп

w

ш = -

2 ■ п ■ п

60

(3)

(4)

где Q - подача насоса, м3/с; М| - момент на литых поверхностях колеса, Н-м;

МИг - момент на внешней стороне покрывного диска, Н-м;

w - угловая скорость, рад/с, п - частота вращения, об/мин.

В результате проведенных расчетов были получены значения КПД и напора. Снижение эквивалентной шероховатости композитного рабочего колеса позволит увеличить расчетный КПД насоса 1,6% (в частности для насоса НМ 1250-260, как обладающего наибольшей мощностью среди приведенных выше типов насосов) при сохранении прочностных свойств и напора.

Для изготовления рабочих колёс из композитных материалов требуется специальное производство - литье под давлением [3], которое относится к одному из наиболее широко распространенных методов формообразования изделий из композитных материалов. Данный метод используют для получения изделий сложной формы. Для организации серийного выпуска рабочих колес магистральных насосов различных конструкций потребуется разработка и изготовление специальных пресс-форм для изготовления деталей на термопластавтомате для каждого типоразмера рабочего колеса. Стоимость серийного образца рабочего колеса зависит в первую очередь от количества изготавливаемых деталей, поэтому

основной частью затрат при производстве рабочих колес является изготовление технологической оснастки и пресс-форм, что, в свою очередь, сказывается на высокой стоимости конечного изделия.

Применение композитных покрытий на проточных частях магистральных насосов

Цель нанесения композитного покрытия на проточную часть насоса состоит в снижении гидравлических потерь в насосном оборудовании, что повышает энергоэффективность работы насоса [4].

По результату анализа существующих композитных покрытий [4, 5] для испытаний выбраны следующие четыре перспективных покрытия для применения на поверхностях проточных частей магистральных насосов на основе сформулированных ранее критериев (в первую очередь - стойкость к перекачиваемой среде):

- двухкомпонентные покрытия на основе эпоксидных смол (далее -двухкомпонентные эпоксидные покрытия № 1 и № 2);

- покрытие на основе полиэфирэ-фиркетона с карбоновыми нитями (далее - ПЭЭК);

- гидрофобное покрытие с нанокера-мическими компонентами (далее -гидрофобное покрытие).

С целью исследования эксплуатационных свойств выбранных композитных покрытий проведены лабораторные испытания. В качестве подложки образцов для испытаний использовались стальные отливки, изготовленные из стали марки 20ГЛ, применяемой для изготовления рабочих колес и корпусов магистральных насосов.

Для определения влияния совокупности повреждающих факторов (воздействие среды и механических примесей) на стойкость покрытий проводились последовательные испытания на стойкость к воздействию нефтепродуктов (реактивное топливо марки ТС-1) с последующим определением устойчивости к поверхностному разрушению покрытий под воздействием абразивной эрозии и прочих технических характеристик.

Оценка ресурса выполнялась для наиболее нагруженных узлов насосов и наи-

Значение характеристики

№ Наименование ПЭЭК Гидрофобное покрытие с нанокерамическими компонентами Двухкомпонентное Двухкомпонентное

п/п характеристики покрытия с карбоновыми нитями эпоксидное покрытие № 1 эпоксидное покрытие № 2

Средняя степень

1 гидрофобное™ покрытий (краевой угол смачивания), град 80,8 100,2 74 64,6

2 Средняя толщина, мкм 242 16 568 536

3 Средняя твердость, ед. 89HD (24 HV) 8 HV 82 HD 76 HD

4 Деформационная способность, Нм менее 1 менее 1 менее 1 1

5 Прочности покрытий при растяжении, мм 0,7 0,4 0,83 0,82

Средняя прочность

6 сцепления покрытий (адгезия), МПа 21 1,1 8,4 26,8

7 Пористость покрытий, кол- Поры 0,016 Поры Поры

во пор, пор/см2 не обнаружены не обнаружены не обнаружены

8 Средняя шероховатость Иа, мкм 0,64 0,57 0,59 0,48

Абразивная стойкость, время разрушения покрытия (скорость воздушно-абразивного потока - 85 м/с, угол атаки -30°), мин

360 0,5

50 40

Эрозионная стойкость,

1Q длительность инкубационного периода, 45^50 отсутствует 0,5 2

мин

11

12

Стойкость к статическому воздействию водных растворов солей по ISO 2812-2-2007

Стойкость к воздействию нефтепродуктов (керосин марки TC-1) по ГОСТ 9.403-80

Покрытие

не изменено,

вздутий,

отслаиваний, Покрытие нестойкое

растрескиваний к воздействию водных

не обнаружено, растворов солей

присутствуют (полное разрушение

следы коррозии, покрытия)

не выявлено

существенное

снижение адгезии

Покрытие стойкое Покрытие нестойкое

к воздействию к воздействию

нефтепродукта нефтепродукта

Покрытие стойкое

к воздействию водных растворов солей

Покрытие стойкое к воздействию нефтепродукта

Покрытие стойкое

к воздействию водных растворов солей

Покрытие стойкое к воздействию нефтепродукта

* ISO 2812-2-2007 «Краски и лаки. Определение устойчивости к воздействию жидкостей. Часть 2. Метод погружения в воду» ** ГОСТ 9.403-80 «Единая система защиты откоррозии и старения. Покрытия лакокрасочные. Методы испытаний на стойкость к статическому воздействию жидкостей»

Таблица 4. Результаты лабораторных испытаний композитных покрытий

сч о сч

<

о

к <

^ мкм Н

Дт, г А

Дт*

ш Ш

3 " ш О

£ к 3 I

Тс мин

0

Н

Т

Т

с

с

Т- мин

Рис. 2. Пример характерной зависимости уноса массы Лт (б) покрытия от времени испытаний на стенде t и соответствующее изменение толщины покрытия И (а)

гч о гч

<

о

СЦ <

более жестких эксплуатационных условий. Основными поверхностями, подверженными максимальному воздействию абразивного потока, являются выходные кромки лопаток рабочих колес и поверхности спирального отвода корпуса («язык» спирального отвода).

Расчет ресурса покрытий проводился для всего основного типоразмерного ряда магистральных нефтяных насосов: НМ 1250-260, НМ 2500-230, НМ 3600-230, НМ 7000-210, НМ 10000-210 как для насосов с наиболее высокими требованиями к энергоэффективности.

Исходя из особенностей эксплуатации и конструкций рассматриваемого типоразмерного ряда насосов принимались следующие утверждения [4]:

- максимальные скорости абразивного потока, реализуемые на выходе

К положительным качествам композитных материалов относятся низкие значения эквивалентной шероховатости и повышенные антифрикционные свойства, меньший удельный вес при изготовлении изделий

из рабочего колеса рассматриваемых насосов, определены расчетно-теоретическим методом и находятся в диапазоне значений 34^45 м/с;

- угол выхода (из рабочего колеса) составляет 4°.

- массовая доля механических примесей в товарной нефти составляет не более 0,05 %.

Время разрушения покрытия в ускоренных испытаниях на стойкость к абразивному износу тст определяется изменением толщины изношенного слоя И до величины И* (предельного износа), соответствующего толщине покрытия Н (рис. 2). Для измерения параметра И в испытаниях используется метод профилографирования. При этом при анализе полученных на экспериментальном стенде результатов принято допущение, что процесс износа является стационарным, т. е. условия изнашивания покрытия по мере увеличения износа не меняются, и, как результат, характеризуется постоянной скоростью изнашивания. Результаты испытаний показали, что процесс может быть представлен функцией на всем интервале от начала установившегося периода абразивного износа после окончания инкубационно-переходного периода до достижения предельного износа Дт* (см. рис. 2 и 3). Результаты исследования изменения толщины покрытия позволят спрогнозировать в процентном соотношении время сохранения характеристик покрытия при эксплуатации насоса.

Определение ресурса проводится по результатам ускоренных испытаний покрытий с учетом стандартов ASTM G76 и ISO 12944, проведенных в более жестких условиях, чем в предусмотренных режимах эксплуатации.

При установлении диапазона срока службы покрытий, определяемого химическим воздействием хлористых солей [5, б], использовалась методика, изложенная в ISO 12944 «Защита от коррозии стальных конструкций системами защитных покрытий. Часть 6. Лабораторные методы тестирования». Диапазон срока службы устанавливался на основе результатов испытаний на стойкость к статическому воздействию водных растворов солей. Форсирующим фактором в этом случае является химическая агрессивность среды: концентрация хлористых солей. Тем не менее, результаты данного типа испытаний учитываются только при рассмотрении возможности применимости покрытий при наличии в нефти подтоварной воды, содержащей хлористые соли.

Ресурс покрытий с учетом влияния совокупности повреждающих факторов, таких как воздействие среды и механических примесей, рассчитывается по результатам проведения последовательных испытаний на стойкость к воздействию нефтепродуктов и исследований устойчивости к поверхностному разрушению покрытий под воздействием абразивной эрозии. При расчете ресурса

Применение композитных материалов для изготовления рабочих колес насосов имеет определенную перспективу в будущем, когда будут решены вопросы по локализации производства на территории РФ

покрытии, полученные после ускоренных абразивных испытаний экспериментальные данные со стендового оборудования (время разрушения покрытия) используются для оценочных расчетов при реальных условиях эксплуатации нефтяных насосов.

В итоге при пересчете полученных результатов ускоренных абразивных испытаний на реальный режим эксплуатации для расчета Тн использована следующая формула:

I©

Tu

: TCT fi -Ч 9;

(5)

где Тн - время разрушения покрытия в реальных условиях эксплуатации нефтяных насосов, час;

Рис. 3. Пример изменения глубины износа покрытия на основе ПЭЭК с карбоновыми нитями с течением времени при проведении испытаний на стойкость к абразивному износу

300

250

сч о сч

200

150

<

100

о

50

к <

о

5000

10000

15000

20000

25000

30000

Время t, сек

Ресурс покрытия, год

№ п/п Марка насоса ПЭЭК с карбоновыми нитями Гидрофобное ^ ^ Двухкомпонентное покрытие с нано- ' ^ эпоксидное покрытие керамическими № 1 компонентами Двухкомпонентное эпоксидное покрытие № 2

1 НМ1250-260 1,42 0,0012 0,95 0,92

2 НМ2500-230 3,42 0,0023 3,12 2,71

3 НМ3600-230 4,78 0,0033 4,47 4,18

4 НМ7000-210 6,65 0,0045 6,06 5,57

5 НМ10000-210 8,15 0,0056 6,24 6

Таблица 5. Прогнозные расчетные значения ресурса покрытий при эксплуатации на магистральных насосах

гч о гч

ТСТ - время разрушения покрытия в ускоренных испытаниях на стойкость к абразивному износу, час;

IV - коэффициент ускорения, обусловленный соотношением площадей, определяется по формуле:

^ _ ^н!

1 _ ^Т! '

(б)

где Fн¡ - площадь износа в насосе; Fст¡ - площадь износа образца на стенде.

Коэффициент ускорения по кинетической энергии ш^, определяется по формуле:

С,,

(7)

где ССТ - скорость потока на стенде; СН - скорость потока в насосе. Коэффициент ускорения по углу соударения , определяется по формуле:

(8)

где аст - угол атаки потока на стенде; ан1 -угол атаки потока в насосе.

Прогнозные расчетные значения ресурса износостойких покрытий при эксплуатации на магистральных насосах приведены в таблице 5.

Анализ эксплуатационных свойств, полученных по результатам лабораторных испытаний, и значений расчётного прогнозного ресурса покрытий (таблица 6) показал отсутствие стойкости гидрофобного покрытия к нефтепродуктам и воздействию водных растворов солей, а также низкий ресурс применения гидрофобного покрытия на магистральных насосах. В связи с данными обстоятельствами применять гидрофобное покрытие с нанокерамиче-скими компонентами на проточных частях магистральных насосов нецелесообразно.

Повышение КПД насоса в номинальном режиме при нанесении покрытий осуществляется за счет снижения шероховатости проточной части и гидрофобности. На основании исследований шероховатости образцов с композитными покрытиями проведен расчет прогнозной величины повышения КПД магистральных насосов при нанесении покрытий на проточную часть (таблица 6).

<

Таблица 6. Прогнозные значения изменения КПД магистральных насосов при нанесении покрытий на проточную часть

о

СЦ <

№ п/п Марка насоса Изменение КПД магистральных насосов при применении покрытий,% ПЭЭК Гидрофобное Двухкомпонентное Двухкомпонентное с карбоновыми ^ покрытие эпоксидное покрытие № 1 эпоксидное покрытие № 2 нитями

1 НМ1250-260 3,71 4,5 3,25 2,5

2 НМ2500-230 2,62 3,12 2,18 1,62

3 НМ3600-230 2,15 1,61 1,83 1,37

НМ7000-210

1,78

1,21

0,9

2

Ш =

а

4

НМ10000-210 0,77 1,1 0,57 0,27

5

Затраты на потребление электрической энергии с нанесенными покрытиями на проточную часть магистрального насоса определялись по формуле:

Бп = Мпотр. ■ 6 -к ■ Т,

(9)

где Ыпотр - потребляемая мощность насосным агрегатом, Вт;

6 - тариф на потребление электри-

руб.

ческой энергии на момент оценки, квТгч ^

к - коэффициент загрузки насосного агрегата;

Т - межремонтный интервал насоса до ремонта, ч.

КПД насосного агрегата определялось по формуле:

N

ПНА = (Ю)

потр.

где йпотр - полная мощность насосного агрегата, Вт.

Потребляемая мощность насосного агрегата определялась по формуле: О ■ р .д -И

(И)

N =-

потр.

ПНА

где р - плотность, кг/м3;

д - ускорение свободного падения, м/с2;

О - подача, м3/ч;

И - напор, м.

Результаты технико-экономического анализа показали положительный экономический эффект применения покрытий на основе ПЭЭК с карбоновыми нитями (рис. 4) и двухкомпонентных эпоксидных покрытий на проточной части магистральных насосов. Дальнейшее применение композитных покрытий на проточных частях является действенным способом повышения энергоэффективности магистральных насосов типа НМ 10000-210, НМ 7000-210, НМ 3600230, НМ 2500-230 и НМ 1250-260 за счет снижения потребления электроэнергии при работе.

Применение композитных материалов во вкладышах подшипников магистральных насосов

Рассмотренный выше материал ПЭЭК -полукристаллический термопластический

высокотехнологичный полимер, в настоящее время также применяется в качестве материала вкладышей подшипников мощных энергетических роторных машин. Опыт использования ПЭЭК во вкладышах подшипников машин для транспортировки газа (с частотой вращения ротора более 5000 об/мин, находящегося в более тяжелых условиях эксплуатации, чем магистральные насосы) позволяет судить о возможностях применения данного материала [7] во вкладышах подшипников скольжения насосов, установленных на объектах магистрального трубопроводного транспорта, например, насоса НМ 10000-210, обладающего наибольшей производительностью.

Вкладыш подшипников

Источник: drive2.ru

Для длительной и надежной работы вкладыша подшипников магистральных насосов необходимо выполнять следую-щиетребования ксвойствам [8]:

- сопротивление усталости, выражающееся в способности материала не разрушаться под действием изменяющихся нагрузок во всем диапазоне рабочих температур;

- высокая износостойкость (способность материалов оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения);

- низкийкоэффициенттрения;

- высокая задиростойкость;

- способность материала поглощать посторонние твердые частицы

I©

сч о сч

<

о

к <

Графитоволокно

Источник: ilhoon.com

(в т. ч. высокая ударная вязкость материала);

- высокая коррозионная стойкость материала в среде смазочного масла;

- экологичность материалов;

- отсутствие искрообразования при работе.

В таблице 7 приведено сравнение свойств материалов применяемого в настоящее время во вкладышах подшипников с баббитом Б83 и перспективного материала ПЭЭК.

По результатам анализа свойств ПЭЭК и его применения в качестве материала вкладышей подшипников насосов НМ можно сделать следующие выводы на основе его свойств:

1. Снижение механических потерь мощности подшипников на трение до 30 % за счёт более низкого коэффициента трения для ПЭЭК.

2. Расширение диапазона рабочей температуры подшипников насоса, что повышает надежность.

Таблица 7. Сравнение свойств материалов баббита Б83 и ПЭЭК

3. Графитоволокно образует пленочное обволакивание графитом трущихся поверхностей, что позволяет защитить их от механических повреждений во время пуска и останова гидромашины.

Для подтверждения эксплуатационных характеристик подшипников выполнены соответствующие расчеты для двух вариантов исполнения вкладыша: из баббита Б83 и материала ПЭЭК. Расчеты проводились для опорных и радиально-упорных подшипников скольжения насоса НМ 10000-210 насосного агрегата. Все расчеты подтвердили работоспособность конструкции подшипника со вкладышами из ПЭЭК для условий работы насоса НМ 10000-210.

По результатам исследований и при сравнении свойств ПЭЭК с баббитом Б83 установлено, что при равных условиях, ПЭЭК, в независимости от конкретной марки материала, имеет более низкий коэффициент трения (не превышает 0,05), чем

№ п/п Характеристика Материал

Баббит Б83 ПЭЭК

1 Плотность, г/см3 7,38 1,45

2 Прочность при сжатии, МПа 110-120 260

3 Рабочая температура,оС До 95 До 250

4 Температура плавления,оС 240 343

5 Удельное рабочее давление, МПа 10-15 70

6 Коэффициент трения Покоя 0,6-0,8 0,09-0,12

7 по стали Со смазкой 0,12-0,15 0,02-0,04

у баббита Б83 (коэффициент трения 0,09) и меньший износ.

По результатам расчетов подшипников со вкладышами из ПЭЭК и баббита, установлено, что прогнозный износ полимерного материала значительно меньше (на 33-37 %), чем у применяемых баббитов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По итогам проведения работы сформулированы следующие выводы:

1. За счет применения композитных материалов в роторах насосов со снижением шероховатости поверхности проточной части, можно повысить КПД насоса (на 1,6 % для насоса НМ 1250-260). Однако в связи с отсутствием на рынке технологий, позволяющих изготавливать рабочие колеса магистральных насосов из композитных материалов без разработки дополнительной оснастки для термопластавто-мата, прогнозная стоимость конечного композитного изделия будет значительно выше изготавливаемого по существующим технологиям стального рабочего колеса. Применение композитных материалов для изготовления рабочих колес насосов имеет определенную перспективу в будущем, когда будут решены вопросы по локализации производства на территории РФ композитных материалов, в том числе и сырья для их изготовления, а также повысится уровень развития промышленных предприятий в плане увеличения производственных мощностей специализированным оборудованием.

2. Применение покрытий на основе композитных материалов, снижающих шероховатость поверхности, позволит

качественно улучшить гидродинамические свойства насоса за счет снижения гидравлических потерь. Повышение КПД при нанесении композитных покрытий на проточные части магистральных насосов типа НМ 1250-260 составляет 2,5-3,71 %, НМ 2500-230-1,62-2,62 %, НМ 3600-230-1,37-1,48 %, НМ 7000-2100,9-1,78% и НМ 10000-210-0,27-0,77%. Разработанная методика ускоренных испытаний композитных покрытий апробирована соответствующими испытаниями в лабораторных условиях и позволила определить эксплуатационные характеристики покрытий, а также расчетным методом установить прогнозный ресурс композитных покрытий при эксплуатации магистрального насоса.

3. По результатам сравнения материала антифрикционного слоя с трибологически-ми свойствами полимерного материала ПЭЭК установлено, что ПЭЭК имеет более низкий коэффициент трения и пониженный износ по сравнению с баббитом, что подтверждает целесообразность его использования в конструкциях подшипников магистральных насосов. Применение данного композитного материала в подшипниках скольжения для магистральных насосов типа НМ с радиальной нагрузкой до 0,8 тс технически возможно.

4. В связи с определенными техническими преимуществами при применении композитных деталей в конструкции насосов целесообразно проводить дальнейшие исследования по поиску решений для внедрения подобных материалов в элементы деталей и узлов магистральных насосов для повышения надежности и энергоэффективности транспортировки нефти.

Использованные источники

Warren/Simsite. Composites For Pumping Application Aboard U.S. NavyShips. Warren Pumps, Inc. Рябцев E.A. Методика критериальной оценки энергоэффективности магистральных насосов // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. № 3, 2021. С. 304-309.

Горюнов В.И. Пресс-формы для литья под давлением. Справочноепособие.Л/.Машиностроение, 1973. -256 с. Михайлов А.Г., Волгин В.А., Ягудин РА., Стрижнев В.А., Рагу-лин В.В. Комплексная защита скважинного оборудования при пескопроявлении в ООО «РН-Пурнефтегаз» // Территория нефтегаз. № 12, 2010. С. 20-25. Гэебенюк А.Н. Применение новых материалов и деталей в УЭЦН в скважинах с осложненными условиями экс-плуатации//Территориянефтегаз. № 10,2006. С. 36-37.

Деговцов A.B., Соколов H.H., Ивановский A.B. О возможности замены литых ступеней ЭЦН при осложненных условиях эксплуатации // Оборудование и технологии для нефтегазовогокомплекса. № 6, 2016. С. 16-20. Шалунов Е.П., Смирнов В.М., Урянский И.П. Износостойкие подшипники скольжения из наноструктурных материалов для мощных электродвигателей // Электротехника и энергетика. № 1, 2015. С. 131-139.

Росляков Д.А. Строительство (модернизация) магистральных насосных по перекачке нефтепродуктов без применения маслосистем // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. № 3, 2011. С. 30-35. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин: Справочник. М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.