Научная статья на тему 'Улучшение триботехнических свойств полимерных материалов в узлах трения нефтегазового оборудования'

Улучшение триботехнических свойств полимерных материалов в узлах трения нефтегазового оборудования Текст научной статьи по специальности «Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук»

209
77
Поделиться
Ключевые слова
КАУЧУК / РЕЗИНОВАЯ СМЕСЬ / ЭПОКСИДНОЕ ПОКРЫТИЕ / УЗЕЛ ТРЕНИЯ / ТРИБОПОЛИМЕРОБРАЗУЮЩАЯ ДОБАВКА / КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ / ИЗНОС

Аннотация научной статьи по общим и комплексным проблемам естественных и точных наук, автор научной работы — Макаренко О. А., Кравцов В. В., Шутов Н. В.

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.

Похожие темы научных работ по общим и комплексным проблемам естественных и точных наук , автор научной работы — Макаренко О. А., Кравцов В. В., Шутов Н. В.,

IMPROVEMENT TRIBOTECHNICAL CHARACTERISTIC POLYMERIC MATERIAL IN NOBES OF FRICTION OIL AND EQUIPMENT

Work is dedicated to study and adjustment of the composition rubber mixture sealing element and epoxide covering on surface of steel for the reason reductions of the factor of friction and increasing to wear capability of the node of friction. At development of the composition of the rubber as bases is chose rubber SKN-40. They Are Determined technological, rheological and mechanical features of the got rubber. The Reduction of the wear-out трущихся surfaces is reached by introduction to the epoxide composition special tribopolymergenerative additives (TPGA). On example of the compactions sailing roofs and pontoon in reservoir, is shown that improvement rubber mixture formulas for fabrication flexible cover and introduction TPGA in composition of the epoxide covering gives the essential reduction of the factor of the friction and factors of the wear-out of the covering.

Текст научной работы на тему «Улучшение триботехнических свойств полимерных материалов в узлах трения нефтегазового оборудования»

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.