CC BY
583
УДК 678.7:678.4
Р. И. Аблеев, Р. Н. Гимаев
Термопластичные эластомерные компаунды
и О "I
с повышенной стойкостью к нефтепродуктам
Башкирский государственный университет 450074, г. Уфа, ул. Фрунзе, 32; тел./факс: (347) 272-28-67
Проанализированы данные по полимерным материалам, применяемым в качестве изоляции и защитной оболочки нефтепогружных электрокабелей. Проведена рейтинговая классификация широкого спектра полимеров различных классов по соответствию их тепло- и маслостойко-сти требованиям международных стандартов. Разработан новый полимерный компаунд на основе термопластичного винилового эластомера с повышенной стойкостью к нефтепродуктам, который прошел расширенные технологические испытания и рекомендован к применению в качестве защитной оболочки кабелей питания установок центробежных электронасосов в нефтедобывающей отрасли с температурой эксплуатации до +140 оС.
Ключевые слова: нефтепогружные электрокабели, термопластичные эластомеры, стойкость к нефтепродуктам при повышенных температурах, динамическая вулканизация.
Современное положение в производстве нефтепогружных электрокабелей и полимерных материалов для них
Как известно, кабельная промышленность является одной из ведущих областей применения полимерных материалов. В качестве электрической изоляции и защитной оболочки проводов и кабелей разных марок используются в основном три класса полимеров: ПВХ-пластикаты, полиолефины и эластомеры (резины) 1. Одним из крупнейших потребителей кабельной продукции является нефтегазовая отрасль экономики, где используется широкая гамма электротелеметрических, силовых и других специальных видов кабельных изделий при добыче углеводородного сырья, а также в разведочной и промысловой геофизике 2. Прежде всего, большим спросом пользуются кабельные линии для установок погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН). По данным ассоциации «Электрокабель», в последние годы в РФ выпускается ежегодно около 40 тыс. км нефтекабелей различных марок для УЭЦН. В числе главных производителей — предприятия «Подольсккабель»,
Дата поступления 01.12.06
«Росскат», «Камкабель», «Сибкабель», «Кавказкабель» и «Татнефть».
В России, так же, как и в других нефтегазодобывающих государствах, основные разведанные и доказанные запасы углеводородного сырья залегают на больших глубинах (около 2000 м), их добыча сопровождается борьбой с обводненностью нефти, газовыми факторами, парафино- и солеотложениями на рабочих органах и трубопроводах, большим количеством выносимых механических примесей. Во многих случаях добываемое углеводородное сырье попутно содержит более 2% серосодержащих веществ, самым значимым по агрессивной активности среди которых является сероводород. Кроме того, стремление к интенсификации добычи нефти часто приводит к применению химически активных веществ, например, кислот, аминосодержащих средств, различных поверхностно-активных веществ и других реагентов. Положение усугубляется еще и тем, что постоянно растет доля скважин глубиной более 2000 м — следовательно, увеличивается и тепловая нагрузка на детали, особенно на рабочие органы УЭЦН.
Перечисленные факторы обуславливают необходимость контроля за соответствием качества применяемых полимерных материалов требованиям условий эксплуатации нефтедобывающего оборудования. При этом имеется в виду, что современное нефтегазодобывающее оборудование (при правильном подборе к скважинным условиям и сервисе) должно сохранять работоспособность более 1000 сут.
Установлено 3, что одной из главных причин (около 30%) отказов работы УЭЦН является нарушение изоляционного слоя электрокабеля, обусловленное недостаточным ресурсом, конструктивными недостатками или несоответствием качества применяемых полимерных материалов условиям эксплуатации нефтяных месторождений.
В табл. 1 приведены данные по маркам-конструкциям кабелей российского и импортного производства, используемых в настоящее время нефтедобывающими предприятиями.
Таблица 1
Марки-конструкции отечественных и зарубежных кабелей для УЭНЦ
Dl
Q
Е
*
S
тз
о *
S St X S ä s
-с
CD
О *
s
St *
1 Q ä
fO О
о о
л.
i fo
№ Маркировка кабеля Предприятие — изготовитель Максимальная температура эксплуатации, °С Материал изоляции Материал защитной оболочки
1 КПБП, КПБК, КПОБП «Татнефть», «Башнефть», «Сибкабель», «Камкабель», «Подольсккабель», «Росскат», «Амуркабель», << Кавказкабель», 90 пнд ПНД, смесь ПНД и ПВД
2 КПпБКТ(КЭПпБКТ) КПпБПТ (КЭПпБПТ) КПпББК(П)-Э, КПпББК(П) КПпБК, КПпБП и др. 120-140 120-140 Блоксополимер пропилена с этиленом Блоксополимер пропилена с этиленом
3 КПпБКТ, КПпБПТ << Подольсккабель» Радиационно-сшитый ПНД Блоксополимер пропилена с этиленом
4 КПВБКТ, КПВБПТ «Камкабель» Силанольно-сшитый ПНД Силанольно-сшитый ПНД
5 КПВПБКТ, КПВПБПТ Силанольно-сшитый ПНД Блоксополимер пропилена с этиленом
6 КПМ-БП НКП «Элипс» 130 Блоксополимер пропилена с этиленом Металлопластмассовая оболочка из блоксополимера пропилена с этиленом
7 КПпОтБП и т. п. «Росскат» 140-160 Блоксополимер пропилена с этиленом Термопластичный полиуретан
8 КПвОтБкП и т. п. 140-160 Радиационно-сшитый ПНД Термопластичный полиуретан
9 КПсТБК и т. п. « Подольсккабель» 150 Радиационно-сшитый ПНД Термопластичный эластомер на основе сополимеров стирола
10 КПпТфБП «Камкабель» 150 Блоксополимер пропилена с этиленом Термопластичный эластомер на основе сополимеров стирола
11 СТН и др. Centrilift Inc. (Англия), Pirelli (Бразилия), Phillips Cables (Канада), ZTS KABEL (Словакия), Oconite Co (США). 100-120 Блоксополимер пропилена с этиленом Бутадиен-нитрильная резина
12 Devil ine Phillips Cables 140 СКЭПТ-резина СКЭПТ-резина
13 КФСБ Ряд кабельных заводов РФ 160 Фторопласт + Полиимид-фторпленка Бронелента из свинцового сплава
14 ЕТВО RED А (США) 120-177 СКЭПТ-резина Бутадиен-нитрильная резина
15 EFE 150-204 СКЭПТ-резина СКЭПТ-резина (высоконаполненная)
16 ELB 204-232 СКЭПТ-резина Бронелента из свинцового сплава
17 KELB 232 Полиимидфторпленка + СКЭПТ-резина Бронелента из свинцового сплава
В настоящее время при изготовлении изоляции и оболочки многожильных нефтяных электрокабелей российские производители, в основном, используют кабельные композиции на основе полиэтилена низкого давления или блоксополимеров этилена с пропиленом, а также силанольно-сшиваемый и радиацион-но-модифицированный полиэтилены 1. Данные материалы обладают высокими диэлектрическими параметрами, но характеризуются недостаточной стойкостью к действию высоких температур, особенно, в условиях воздействия агрессивной нефтяной среды. Рабочий температурный диапазон для них соответствует интервалу от —60 до +120 оС. Следует отметить ряд предприятий («Подольсккабель», «Камка-бель», «Росскат»), которые в последние годы осваивают производство нефтекабелей, рассчитанных на максимальную рабочую температуру до +140—160 оС, где в качестве защитной оболочки применяются новые классы полимерных материалов — термоэластопласты зарубежного производства на базе блоксополи-меров стирола (марка Тэфаблок) или полиуретанов (марка Эластоллан). Кроме того, одним из возможных способов повышения стойкости кабелей и увеличения их рабочей температуры является использование металлопластмассо-вой оболочки, состоящей из специальной стальной гофрированной ленты с полимерным покрытием из блоксополимера пропилена (марка КПМ-БП-130).
Ведущие мировые производители (фирмы «REDA», «Pirelli», «Philips Cabels», «Кегке» и др.) выпускают нефтекабели, предназначенные для работы при температурах до +204о и даже +232 оС 2. Для изоляции нефтепогруж-ных кабелей зарубежные фирмы обычно применяют резину на основе высоконаполненного этиленпропилендиенового каучука (СКЭПТ) 4. Это обусловлено достаточно высокой термо-и химстойкостью СКЭПТ, а также его прекрасными электроизоляционными характеристиками. К недостаткам этиленпропиленовых резин, наряду с трудностями технологического процесса наложения изоляции, следует отнести их низкую маслостойкость и невозможность повторного использования такого кабеля при высоком газовом факторе. В связи с этим применяют оболочку из специальных (корро-зионностойких) сплавов свинца. При такой конструкции удается достичь максимальных температурных порогов эксплуатации кабеля и значительно снизить способность к набуханию как внешнего, так и внутреннего (изоляционного) полимерного слоя. Однако бронирован-
ные свинцовой лентой нефтекабели имеют большой вес и высокую стоимость. Кроме того, свинцовая оболочка несколько снижает диэлектрические характеристики изоляции. Хотя данные конструкции кабелей пока не находят широкого применения в РФ, работы в этом направлении проводит ОАО «Камка-бель» и в 2007 г. ожидается освоение выпуска отечественных нефтекабелей в свинцовой оболочке с изоляцией из СКЭПТ-резины, способных выдерживать температуры свыше 200 оС.
Часто вместо бронированной оболочки в конструкциях импортных нефтекабелей используются маслобензостойкие резины на базе полярных эластомеров — галогенсодержащих (хлоропрен, хлорсульфополиэтилен, эпихлор-гидрин и др.), акрилатных и бутадиен-нитрильных каучуков. Для кабельных изделий на температуру эксплуатации выше +160 оС применяют специальные марки дорогостоящих резин на основе кремний-и фторорганических каучуков 5.
Для сравнительной оценки стойкости различных полимеров к действию агрессивных сред нами была проведена классификация полимерных материалов с присвоением им соответствующего рейтинга температуро- и масло-стойкости — А, В, С, D, Е, F, G, Н и К. Согласно требованиям международных стандартов АБТМ D-2000, D-471 и D-638 теплостойкость (или термоокислительную стабильность) полимеров принято оценивать по степени сохранения физико-механических параметров после выдержки в течение определенного периода времени при фиксированной температуре (90, 105, 136, 150, 158 или 180 оС, в зависимости от типа полимера) на воздухе. Далее определяют значение температурного индекса — максимальной температуры, при которой образец сохраняет 50% начальных свойств после выдержки на воздухе в течение 20000 ч. Установив, таким образом, класс теплостойкости полимерного материала: А = до +70 оС; В = (80—100°); С = (110—125о); D = (135-150°); Е = (160-175о); F = (185-200о); G = (210-225о); Н = (235-250о) С, можно рекомендовать температурный предел эксплуатации различных марок электрокабелей.
Стойкость полимеров к действию нефтепродуктов оценивают по степени их набухания (изменению массы и геометрических размеров образца), а также сохранению их физико-механических свойств после выдержки в бензине, дизтопливе или минеральном масле в определенных температурно-временных условиях. В данном случае классификацию
полимерных продуктов проводили по величине степени набухания (в %) после выдержки в трансформаторном масле при 125 оС в течение 70 ч. В соответствии с нормами АБТМ D-471 она составляет: А = (140-160)%; В = (120-140)%; С = (100-120)%; D = (80-100)%; Е = (60-80%); F = (40-60)%; G = (20-40)%; Н = (10-20)% и К < 10%.
В табл. 2 обобщены результаты сравнительного анализа стойкости широкого спектра полимерных материалов к действию высоких температур и нефтепродуктов. При этом авторы основывались как на результатах собственных испытаний, так и на литературных данных 5. Испытания проводили на стандартных образцах полимеров, изготовленных методами вальцевания, прессования или литья под давлением в соответствии с требованиями соответствующих ГОСТ или АБТМ.
Таким образом, проблема подбора и/или разработки на базе доступного отечественного сырья и технологий новых полимерных материалов с повышенной стойкостью к нефтепродуктам и высоким (в первую очередь, от 140 до 180 оС) температурам, предназначенных для применения в крупнотоннажных производствах различных кабелей для нефтедобычи, георазведки и геофизики, является весьма актуальной задачей.
Разработка нового полимерного компаунда для оболочки нефтепогружных электрокабелей
Одним из наиболее прогрессивных классов полимерных материалов являются термопластичные эластомеры или термоэластоплас-ты (ТЭП), сочетающие в себе полезные свойства резин с возможностью переработки на оборудовании, предназначенном для переработки пластмасс (экструзия, литье). Благодаря своим уникальным характеристикам, ТЭП находят все более широкое применение и эффективно заменяют традиционные эластомеры и некоторые марки пластиков 6.
Расширение областей применения термопластичных эластомерных материалов и ужесточение требований к эксплуатационным свойствам изделий из них, а также дефицит ряда каучуков, которые в России по тем или иным причинам не производятся в настоящее время - полихлоропрена, хлорсульфиро-ванного полиэтилена, акрилатных каучуков -предопределяют необходимость разработки и выпуска доступных полимерных материалов, обладающих спектром ценных свойств
и преимуществ — улучшенной тепло-, масло-, бензостойкостью в сочетании с высокими диэлектрическими параметрами и технологичностью.
Среди перспективных направлений в разработке полимерных компаундов с повышенной стойкостью к агрессивным средам и атмосферным воздействиям многие производители выделяют термопластичные эластомерные материалы на основе виниловых пластиков, которые широко используются в различных отраслях промышленности, составляя конкуренцию резине, полиуретану и другим более дорогим ТЭП.
Известны ТЭП на основе смесей ПВХ с изопреновым каучуком, хлорированным полибутадиеном или полихлоропреном, которые обладают отличной стойкостью к агрессивным средам, негорючестью, но узким температурным интервалом эксплуатации 6.
Наиболее популярны ТЭП на базе композиций ПВХ с бутадиен-нитрильным каучуком, в частности серийные компаунды таких фирм, как A.Schulman Inc. (марки «Sunfrost» и «Sunprene»), Tessenderlo Inc. («Tefanyl»), Apiplastic («Apilon 33») и др. Интенсивные разработки в этом направлении проводит компания «Teknor Apex»: сообщается о новой серии виниловых ТЭП с улучшенными эксплуатационными характеристиками — как при высоких (+130 оС), так и при очень низких температурах (—56 оС) 7' 8 . Изделия из компаундов FreeFlex выдерживают жесткие условия эксплуатации в зимнее время и превосходят обычные ПВХ-пластикаты по сохранению исходных физико-механических свойств в процессе длительной эксплуатации. Эти материалы рекомендованы для применения в кабельной промышленности, в первую очередь, при изготовлении оболочки проводов и кабелей, эксплуатирующихся в тяжелых условиях воздействия агрессивных сред.
Не так давно «полибленды» на базе смесей полярных термопластов и каучуков начали выпускаться в России. С 2004 г. выпуск материалов на основе смесей ПВХ с изопреновым и нитрильным каучуками организован на АО «Уралхимпласт» (г. Н. Тагил) под торговой маркой «Тэфлекс» 9. Тэфлексы, в основном литьевых марок, находят применение в качестве разнообразных комплектующих (защитные чехлы, колпачки, уплотнители) в автомобилестроении, профилей и уплотнителей в стройиндустрии. В то же время отсутствуют сведения о производстве материалов подобного
Таблица 2
Классификация полимерных материалов различных классов по стойкости к действию агрессивных сред
01
Q
Е
*
S
тз
о *
S St X S
S
-с
ф
0 *
S
St *
1 Q Ь
fo О
о
н
о
к)
Полимерный материал Теплостойкость Маслостойкость Примечания
Рейтинг Температурный Рейтинг Степень набухания
по ASTM предел эксплуатации, по ASTM D-471 в масле ASTM #3
D-2000 °С (125 С 70 ч), %
1. Бутадиен-стирольный и изопреновый А -70 А «160 Традиционные резины обладают
каучуки низкой масло- и теплостойкостью
2. Полиэтилен В -90 А «220 Для полиолефинов характерна недо-
3. Полипропилен С -120 А «220 статочная стойкость к углеводоро-
дам при повышенных температурах
4. СКЭПТ: Теплостойкость выше, чем у поли-
- серной сшивки С -125 А «180 олефинов, но к нефтепродуктам
- пероксиднои сшивки D -150 А «160 малостойки
5". Бутилкаучук:
- серной сшивки В «100 А «160
- смоляной сшивки Е -150 А «160
6. Пропиленоксидный каучук D -150 В «130 Перспективные материалы, выпуск
7. Эпихлоргидриновый каучук D -125 н «20 которых в РФ пока отсутствует
8. Хлоропреновый каучук 5 С «110 D «100 Промышленное производство в РФ
9. Хлорсульфополиэтилен 5 D «135 D «90 отсутствует
10. Бутадиен-нитрильный каучук
с содержанием акрилонитрила (",. моль.):
18-20 С «120 F «50 Практически единственный масло-
26-33 С «120 G «30 стоикии каучук, серийно выпускае-
38-50 С «120 К «10 мый в РФ
11. Акрилатный каучук 5 F «180 G «20 В РФ не выпускается
12. Фторсилоксановый каучук 5 G «205 G «30 Дорогостоящие классы каучуков,
13. Силоксановый каучук G «220 Е «70 используются в исключительных
14. Фторкаучуки 5 Н «250 К «5 случаях
15. Тиоколы 5 А «70 К «5 Низкая теплостойкость
16. Термоэластопласты: Наиболее прогрессивный класс по-
- блоксополимерные стирольные лимерных материалов — в РФ про-
(Те1'аЫос) С «120 А «160 изводство только зарождается
- полиуретановые (Е1а81о11ап) D «130 G «30
- олефиновые (Ба^оргепе) D «135 С «100
- олефиновые (ОеоЫзО D «130 G «30
* зарегистрированный торговый знак на продукцию ЗАО <<АМЕРиКо»
класса для электроизоляционных и оболочковых покрытий кабельных изделий, хотя такое направление их использования представляет несомненный практический интерес.
В этой связи в лаборатории по композиционным материалам Башгосуниверситета в рамках научно-исследовательских работ, проводимых совместно с производителями полимерных компаундов (ЗАО «АМЕРиКо» (г. Уфа) и кабельной продукции (ОАО «РОССКАТ» (г. Самара)), разработан термопластичный виниловый эластомер (ТПВЭ) марки «Тамер-
*
лен» .
ТПВЭ «Тамерлен» получают методом «динамической вулканизации» композиций на основе смесей бутадиен-нитрильного каучука с пластифицированным ПВХ в присутствии целевых добавок (термостабилизаторов, наполнителей, антипиренов и т. п.). Технология «динамической вулканизации» заключается в интенсивном смешении в расплаве термопластов и эластомеров с одновременной вулканизацией последних. При этом формируется гетерогенная структура, где сшитые частички каучука равномерно диспергированы в непрерывной фазе термопласта, а образующийся при этом межфазный граничный слой определяет высокие физико-механические свойства 10 11
материала .
Известно, что бутадиен-нитрильные кау-чуки способны вулканизироваться при повышенных температурах с образованием большого количества геля (доля сшитой фракции составляет до 90%) даже без применения вулканизующих агентов. В этом случае, правильно подбирая состав смесей, можно получать
материалы с необходимыми свойствами, что значительно легче, чем синтезировать новые полимеры. Кроме того, используя композиции определенного состава, можно достигнуть новых сочетаний свойств, отличных от свойств исходных полимеров.
Первоначально технологию получения ТПВЭ отрабатывали на лабораторном смесите-ле-пластикордере «ВгаЬе^ег РЦУ-151» при температуре (170 ± 5) оС и скорости вращения роторов ~50 об./мин. Время проведения вулканизации определяли опытным путем (~6—7 мин), что соответствует времени достижения максимальной вязкости расплава смеси (максимум плотности сшивки эластомера), и обеспечивает оптимальные физико-механические характеристики конечного продукта.
Для изучения возможности применения разработанного материала в качестве защитной оболочки нефтепогружных электрокабелей были проведены сравнительные лабораторные испытания опытного образца ТПВЭ, серийных компаундов марки «Тэфлекс», ПВХ-пластиката марки ИТ-105В, блоксополи-мерной композиции марки ЭКПП-01К, а также термоэластопластов марки «Е1а81о11ап» (Германия) и «ТеГаЫос» (Польша), применяемых в производстве российских нефтекабелей.
Исследованные образцы полимеров и их характеристики приведены в табл. 3. Для проведения испытаний и определения физико-механических показателей полимерных композиций использовали стандартные образцы толщиной 2 мм, полученные в зависимости от базового полимера на базе сертифицированной лаборатории предприятия «АМЕРиКо»:
Таблица 3
Марки и основные характеристики полимерных компаундов
Марки компаундов Показатели
Твердость, Плот- Темпера- Относительное Прочность Уд. объемное
в ед. шка- ность, г/см3 тура удлинение при разры- электрическое
лы Шора А хрупкости, оС, при разрыве, % ве, мПа сопротивление, Ом см
ТПВЭ «Тамерлен» 75А 1.22 -40 440 8.0 1.0 • 1013
ТЭФЛЕКС 220 49А 1.14 -35 340 7.5 1.0 • 1013
ТЭФЛЕКС ПРО 50 57А 1.20 -35 380 8.5 1.4 • 1013
ТЭФЛЕКС ПРО 56А 1.17 -35 270 5.0 1.2 • 1013
135М
ПВХ-пластикат 75А 1.31 -40 340 18.7 5.3 • 1013
ИТ-105В
ТЭП ТеГаЫос 92542 90А 1.24 -45 600 10.3 1.0 • 1013
Блоксополимерная 95А 0.97 -55 600 20.0 1.5 • 1014
композиция ЭКПП-О1К
ТЭП ЕкэЫкп 1154Д 98А 1.15 -45 700 30.5 1.0 • 1013
* зарегистрированный торговый знак на продукцию ЗАО «АМЕРиКо» 10 Башкирский химический журнал. 2007. Том 14. №№2
— вальцево-прессовым методом (ИТ-105В, Тэфлексы, ТПВЭ) при Твальц = (160 ± 5) оС, Тпресс = (170 ± 5) оС;
— прессованием (термоэластопласты Е^оПап и Те£аЬ1ос) при (190 ± 5) оС;
— литьем под давлением (ЭКПП-01К) при Тлитья = (210—230) оС и удельном давлении 7-12 мПа.
Оценка маслобензостойкости полимерных материалов
Стойкость полимерных материалов к нефтепродуктам оценивали после выдержки образцов в трансформаторном масле при 125 оС в течение 70 ч и в дизтопливе марки «Л» (23 оС — 168 ч) по двум параметрам: степени набухания (по изменению массы) и сохранению физико-механических свойств полимеров. Набухание — это физическое проникновение жидких нефтепродуктов в полимерную матрицу без какого-либо химического взаимодействия. Происходящее при этом увеличение объема и веса полимера приводит, как правило, к ухудшению его механических показателей и, следовательно, эксплуатационных характеристик материала. По требованиям АБТМ D-471 образец считается выдержавшим испытания, если степень набухания изменяется в пределах ±15%. Изменения прочности и относительного удлинения при разрыве после выдержки образцов в нефтепродуктах определяли по формуле:
Г(Х2- Х1
А =
Х1
■100%,
выдержки при комнатной температуре (рис. 1). Одновременно в данных условиях на высоком уровне сохраняются и физико- механические свойства полимеров;
80 -|
60 -40 -20 -0
-20 --40 -
□ Масло трансформаторное
□ Дизельное топливо
где Д — степень сохранения параметра, %;
х1 — значение параметра до выдержки в масле (дизтопливе);
Х2 — значение параметра после выдержки в масле (дизтопливе)
Согласно требованиям ГОСТ 25018 для кабельных материалов, образец считается выдержавшим испытания на стойкость к действию агрессивных факторов, если сохраняется не менее 70% от его исходной прочности (Д ар > 70%) и не менее 50% от исходного относительного удлинения при разрыве (А£р > 50%).
Полученные экспериментальные результаты (рис. 1—3) позволяют сделать выводы:
— все изученные образцы полимерных материалов (за исключением ТЭП марки «Те£аЬ1ос») удовлетворяют требованиям к степени набухания в дизтопливе после длительной
Рис. 1. Оценка стойкости полимерных материалов к нефтепродуктам по степени набухания в трансформаторном масле (125 оС — 70 ч) и дизельном топливе (23 оС — 168 ч): 1 — Тэфлекс 220; 2 — Тэфлекс ПРО 50; 3 — Тэфлекс ПРО 135М; 4 — ПВХ-пласти-кат ИТ-105В; 5 — Те1аЬ1ос 92542D; 6 — ЭКПП-01К; 7 — Е1а8Ы1ап 1154D; 8 — ТПВЭ «Тамерлен»
— иная картина наблюдается при оценке маслостойкости полимеров в условиях повышенных температур — удовлетворительные значения степени набухания после выдержки в трансформаторном масле (125 оС — 70 ч) характерны лишь для двух образцов — полиуре-танового термоэластопласта марки «Е1ав1о11ап 1154Д» и разработанного нами материала ТПВЭ «Тамерлен» (рис. 2). Как следствие,
о/ 120 п
%
100
80 60 -40 -20 0
1
3
7
8
□ Сохранение прочности при разрыве
□ Сохранение отн. удлинения при разрыве
Рис. 2. Сохранение прочности и относительного удлинения при разрыве (в %) после выдержки образцов полимерных материалов в дизельном топливе (23 оС — 168 ч): 1 — Тэфлекс 220; 2 — Тэфлекс ПРО 50; 3 — Тэфлекс ПРО 135М; 4 — ПВХ-пластикат ИТ-105В; 5 — Те1аЬ1ос 92542D; 6 — ЭКПП-01К; 7 — Е1а8Ы1ап 1154D; 8 — ТПВЭ «Тамерлен»
для указанных материалов отмечены и максимальные значения параметров сохранения механических характеристик (рис. 3). В то время как традиционный ПВХ-материал теряет часть пластифицирующих добавок, придающих ему гибкость и эластичность, термопластичный виниловый эластомер сохраняет эти важные свойства, очевидно, за счет каучуковой компоненты.
□ Сохранение прочности при разрыве
□ Сохранение отн. удлинения при разрыве
Рис. 3. Сохранение прочности и относительного удлинения при разрыве (в %) после выдержки образцов полимерных материалов в трансформаторном масле (125 оС - 70 ч): 1 - Тэфлекс 220; 2 - Тэфлекс ПРО 50; 3 - Тэфлекс ПРО 135М; 4 - ПВХ-пластикат ИТ-105В; 5 - ТеГаЫос 92542D; 6 - ЭКПП-01К; 7 - Е1а8Ы1ап 1154D; 8 - ТПВЭ «Тамерлен»
Таким образом, можно заключить, что для термопластичных эластомеров (марки «Е1а81о11ап» и ТПВЭ) по сравнению с традиционными термопластами (блоксополимер пропилена, ПВХ-пластикат) наблюдается более высокая стойкость к нефтепродуктам в условиях именно повышенных температур, что имеет практическую значимость для современных процессов нефтедобычи. Немаловажен и тот факт, что в изученном ряду полимеров из класса термоэластопластов разработанный виниловый эластомер обладает заметными преимуществами с точки зрения цены материала - стоимость ТПВЭ не превышает 4000 евро за тонну, в то время как для термопластичных эластомеров зарубежного производства она составляет 6000-8000 евро.
Учитывая результаты проведенных испытаний, было принято решение о выпуске опытной партии ТПВЭ марки «Тамерлен» в производственных условиях ЗАО «АМЕРиКо» и передаче для его дальнейших технологических испытаний на предприятия кабельной промышленности. Наработку опытной партии
(200 кг) проводили на двухшнековом экстру-дере-компаундере марки 2БК-70 «Werner-Pf1iederer». Полученный гранулят был передан в ОАО «РОССКАТ», в производственных условиях которого осуществлен выпуск опытной партии кабеля марки КПвОтБП с наложением оболочки из ТПВЭ «Тамерлен» толщиной 0.55 мм на изолированную жилу сечением 16 мм 2 (материал изоляции - радиационно-сшитый полиэтилен). Переработку ТПВЭ проводили при следующих температурных режимах:
Согласно методике технологических испытаний ОАО «РОССКАТ», полученные образцы электрокабеля выдерживались в трансформаторном масле в течение 24 ч при 130 оС. Набухания оболочки при этом не наблюдалось, материал оболочки сохранял эластичность. Далее образцы выдерживали в масле при 140 оС в течение 3 ч, и степень набухания не превысила 4%, что также удовлетворяет предъявляемым требованиям. Расширенные эксплуатационные испытания опытной партии кабеля марки КПвОтБП-140 3 х 16 были продолжены в лаборатории ЗАО «Самарская кабельная компания» по ГОСТ 16962.1 и 2990-78. Оценивали следующие свойства изделия: стойкость к действию масла; стойкость к воздействию пониженной температуры (-60 оС) в статическом состоянии; стойкость к воздействию смены температур от -60 до +130 оС; стойкость к воздействию изгибов при пониженной температуре -40 оС; стойкость к воздействию изгибов при смене температур от +140 до -40 оС. Испытания опытной партии кабеля с оболочкой из ТПВЭ показали положительный результат по всем показателям. ОАО «РОССКАТ» рекомендовал новый материал марки ТПВЭ «Тамерлен» для опытно-промышленного использования в качестве защитной оболочки нефтепогружных кабелей с температурой эксплуатации до +140 оС.
В августе 2006 г. была наработана и передана заказчику (ОАО «РОССКАТ») опытно-промышленная партия материала в количестве 10 тонн. Изготовленные первые партии кабельной продукции с оболочкой из ТПВЭ в настоящее время проходят эксплуатационные испытания на нефтепромыслах страны.
Температура по зонам экструдера, оС Фланец, оС Температура на головке, оС
100 110 130 140 145 150 155 165 170
Разработаны, согласованы с Потребителем и прошли регистрацию в органах Госстандарта Технические условия ТУ 2243-010-33833979-2006 «Термопластичные виниловые эластомеры для защитной оболочки нефтепогружных электрокабелей».
* настоящая работа проводилась при финансовой поддержке АН РБ (грант №4/9-Х)
Литература
1. Макиенко Г. П. Кабели и провода, применяемые в нефтегазовой индустрии.— Пермь: Агентство «Стиль-МГ», 2004.- 560 с.
2. Месенжник Я. З., Новиков Д. В., Свалов Г. Г. // Кабели и провода.- 2001.- №1.- С. 20.
3. Главный технолог ОАО «Юганскнефтегаз» -об осложнениях в механизированной добыче нефти УЭЦН. // http://www.ruscable.ru/ news/news-4868.html.
4. Пат. США №4816337 (28.03.1989 г.). / Schultz R. E.
5. Eller R. Overview of TPE: Technology, Markets,
Industry Structure and Value Added Growth Opportunites. // Thermoplastic Elastomers Asia.- Banghok.- 2004.- Р. 7.
6. Зуев Ю. С. // Каучук и резина.- 2004.- №3.-С. 3.
7. // Plastics Engineering.- 2003.- V. 59, №9.-P. 12.
8. Не содержащие пластификаторов виниловые компаунды серии FreeFlex. // http:// www.ruscable.ru/news/news-4942.html.
9. Тэфлекс - новый продукт для переработки полимерных материалов. // Полимерные материалы (Специализированный информационный бюллетень).- 2006. №6.- С. 43.
10. Coran A. Y., Patel R. P. Thermoplastic Elastomers based on dynamically vulcanized elastomer-thermoplastic blends. Thermo-plastic Elastomers.- New York: Hanser / Gardner.-1996.- 540 p.
11. Канаузова А. А., Юмашев М. А., Донцов А. А. Получение термопластичных резин методом динамической вулканизации и их свойства.- М.: ЦНИИТЭнефтехим (Производство РТИ и АТИ: Тем.обзор), 1985.- 65 с.
