CC BY
112
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.
