CC BY
198
Н. В. Воронова
ВНЕДРЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ РЕМОНТА НЕФТЕПРОМЫСЛОВОГО
И ГЛУБИННО-НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ОАО «ТАТНЕФТЬ»
Ключевые слова: нефтегазодобывающая промышленность, инновации, нанотехнологии, анаэробные полимерные герметизирующие материалы, композитные (металлонаполненные) многокомпонентные составы, коррозионно-
и износостойкие покрытия.
При учете того, что для России добыча нефти и газа является стратегической отраслью, вопросы увеличения надежности технологического оборудования и продления срока его службы, особенно, наиболее ответственных узлов, приобретают в настоящее время все большую актуальность. Использование при изготовлении, эксплуатации и ремонте оборудования полимерных материалов с различными технологическими свойствами позволяет решать эти проблемы с высокой ресурсо- энергоэффективностью и малыми затратами. Все это обеспечивает значительную экономию сил и средств предприятий нефтяной и газовой промышленности и позволяет им сосредотачиваться на основных видах деятельности и заботе о качестве продукции и сохранении окружающей среды. Все это определяет актуальность темы исследования. В настоящей статье определены основные направления внедрения нанотехнологий при ремонте, эксплуатации и обслуживании нефтепромыслового и глубинно-насосного оборудования на основе результатов проведенных опытно-промышленных работ, организованных на производственных мощностях ОАО «Татнефть».
Keywords: oil and gas extraction industry, innovations, nanotechnologies, anaerobic polymeric hermetically materials, the composit (metalfilled) multicomponent structures, corrosion and wear-resistant coverings.
At the accounting of that for Russia oil and gas production is strategic branch, questions of increase in reliability of processing equipment and extension of term of its service, especially, the most responsible clusters, get now the increasing urgency. Use at manufacture, operation and repair of inventory of polymeric materials with various processing behavior allows to solve these problems with high resource-power effectiveness and small expenses. All this provides the considerable economy of forces and means of the enterprises of oil and gas industry and allows them to concentrate on main types of activity and care of quality ofproduction and preservation of a surrounding medium. All this defines an urgency of a subject of research. In the present article the main directions of introduction of nanotechnologies are defined at repair, operation and an upkeep oil-field and deep pumping equipment on the basis of results of the carried-out trial works organized on productive capacities JSC "Tatneft".
Перспективы нанотехнологической отрасли поистине грандиозны и масштабны. Нанотехнологии способны кардинально изменить методы, ныне применяемые в различных областях. Но для этого необходимо широкое распространение основных идей отрасли [4]. Особенно интересны нанотехнологические идеи при применении для ремонта оборудования, используемого при добычи нефти и газа, поскольку данное оборудование работает на открытом воздухе и подвержено всем вредным влияниям окружающей среды, а также коррозионному воздействию бурового раствора, соленой воды, газового фактора и пр. Кроме того, узлы и детали оборудования испытывают динамические и вибрационные нагрузки, вызывающие интенсивный износ агрегатов.
Основной особенностью оборудования ОАО «Татнефть» является то, что нефтепромысловое оборудование и глубинно-насосное оборудование подвержено всем вредным влияниям окружающей среды, а также интенсивному коррозионному воздействию. Кроме того, узлы и детали оборудования испытывают динамические и вибрационные нагрузки, которые также ускоряют износ. Наблюдения за износом и повреждениями деталей машин
при эксплуатации позволяют выделить пять основных видов разрушений изделий:
- деформации и изломы;
- механический износ;
- эррозионно-кавитационные, коррозионные и коррозионно-механические повреждения.
В этих условиях целесообразно использовать технологии восстановления (реновацию) быст-роизнашивающихся деталей, позволяющие быстро и сравнительно недорого восстанавливать и даже повышать их эксплуатационные свойства, обеспечивая тем самым исправность и надежность оборудования.
Долговечность машины зависит от совокупности влияния разнообразных факторов. При этом долговечность отдельных деталей может существенно отличаться от долговечности механизма или машины в целом. Под восстановлением детали понимают ее ремонт с доведением до первоначальных размеров, геометрической формы, чистоты поверхности и поверхностной твердости.
В современных условиях удельный вес восстановленных деталей составляет около 7%. Следует обратить внимание на то, что по сравнению с изготовлением новых запасных частей количество операций обработки при восстановлении сокраща-
ется в 3-8 раз. Важное достоинство этого метода -низкая металлоемкость. Для восстановления деталей необходимо в 20-30 раз меньше металла, чем для изготовления новых. Например, вес корпуса подшипника станка-качалки СКН-10 составляет 82 кг. Расход наплавляемого материала - 1,8 кг. Соотношение веса корпуса и материала равно 45 кг. Очевидный факт, что эту деталь нужно восстанавливать, а не приобретать новую [6].
Современные технологии восстановления позволяют произвести качественный ремонт деталей, улучшить некоторые механические характеристики и тем самым обеспечить более длительную эксплуатацию, что дает дополнительную экономию и стимулирует применение их на новых деталях.
Для примера, ООО «Татнефть-РНО-МехСервис» за счет применения методов восстановления с помощью наплавки отремонтировали 1 815 деталей нефтепромыслового оборудования получили за 2009 год 15 млн. руб. экономии, что сопоставимо с одно-двухмесячным бюджетом по материалам отдела главного механика ОАО «Татнефть».
Чтобы выбрать способ наплавки или упрочнения детали, необходимо знать сроки службы новых и восстановленных изделий, руководствуясь коэффициентом износостойкости, а не абсолютными значениями продолжительности службы детали до предельного износа. В последние годы созданы новые износостойкие сплавы и наплавочные материалы: порошковая проволока с внутренней защитой, металлокерамическая и порошковая ленты, гранулированные порошки и другие. Сейчас в промышленности используется более 40 способов наплавки. Из статистических данных выясняется, что на 1 руб., вложенный на наплавку, экономится в среднем от 12 до 14 рублей.
В данный момент на предприятиях ОАО «Татнефть» имеется большой объем изношенного нефтепромыслового и бурового оборудования, такого как диски разгрузки, рубашки валов и штоков насосов, валов редукторов и другие.
Реконструкция имеющихся и создание новых участков восстановления, приобретение современного оборудования наплавки и упрочнения позволит увеличить количество работоспособных агрегатов и механизмов. Средний срок окупаемости оборудования наплавки составляет 0,8-0,9 года.
Но нельзя забывать, что технология восстановления - это тонкая, инженерная работа. Необходимо грамотно оценить ремонтопригодность восстанавливаемого изделия, произвести зачистку, определить марку стали или другого материала деталей и в соответствии с этим подобрать наплавочный материал, защитную среду и выбрать технологический режим наплавки и пр. Для каждой ремонтируемой детали необходимо подобрать индивидуальную технологию. Для этих целей при НПУ «ЗНОК и ППД» создан опытно-экспериментальный участок по отработке режимов, изучения номенклатуры и необходимых объемов восстановления и внедрения их в производство.
Внедрение вышеописанных технологий дает следующие положительные результаты:
- снижение времени простоя рабочего оборудования и техники;
- более длительную эксплуатацию восстановленных узлов;
- снижение количества аварий;
- создание новых рабочих мест с современными технологиями;
- снижение затрат на приобретение новых запасных частей и материалов.
В подразделениях ОАО «Татнефть» в небольших объемах полимерные композитные материалы при ремонте нефтепромыслового оборудования начали применять с 2002 года при сотрудничестве с ООО «Наука» г. Бугульма и другими специализированными предприятиями. В среднем в год новой технологией ремонта дополнительно охватывается 5-6 наименований оборудования.
За последние 4-5 лет были получены отличные результаты от использования анаэробных герметиков на глубинно-насосном оборудовании. На обработанных резьбовых соединениях штанговых насосах и насосных штанг не было зафиксировано случаев самопроизвольного их отворота, а на насосно-компрессорных трубах и обсадных трубах не было отмечено нарушений герметичности. Несмотря на это, кроме разовых работ, широкого применения полимерных герметизирующих материалов не получили. Соответственно, считаем целесообразным перейти на массовое использование данных материалов при эксплуатации глубинно-насосного оборудования, что позволило бы окончательно решить такие проблемы, как:
- отворот штанг (221 случай подземного ремонта скважин за 2010 год), плунжеров штангового насоса (37 случаев) и др. ежегодные потери составляют более 103 млн. руб.;
- негерметичность колон насоснокомпрессорных труб по резьбовым соединениям (248 случаев подземного ремонта скважин по установке штангового насоса и установке скважинного электроцентробежного насоса за 2010 год) ежегодные потери составляют более 99 млн. руб.
Кроме того, применение анаэробного герметика позволит отказаться от герметизирующей смазки, от высокогерметичных муфт насоснокомпрессорных труб с уплотняющими кольцами и снизить процент отбраковки резьбы глубиннонасосного оборудования по коррозии.
В настоящее время есть необходимость в создании руководящего документа, регламентирующего применение анаэробных герметиков при эксплуатации и ремонте глубинно-насосного оборудования.
В 2008 году в качестве эксперимента был произведен капитальный ремонт двух сосудов, работающих под давлением, в НГДУ «Ямашнефть» полимерными композитными материалами силами Пермского филиала Межрегиональной строительной компании (г. Москва). Это же предприятие в
ноябре 2009 года в НГДУ «Альметьевнефть» произвело ремонт двух РВС-5000 куб.м. Опыт показал эффективность данного метода ремонта сосудов и в 2009 году специалистами РГУ им. Губкина была разработана и утверждена согласованная с Ростехнадзором «Методика по ремонту горизонтальных сосудов, работающих под давлением, полимерными композитными материалами». Но необходимо отметить, что данный документ все еще не введен в действие приказом по компании. Ремонт сосудов наиболее эффективен, когда еще количество и глубина дефектов не достигли критических значений, влияющих на его несущую способность. Своевременный ремонт сосудов и резервуаров позволит предотвратить дальнейшее развитие коррозии и локализовать образовавшиеся дефекты, что существенно повысит срок их службы.
Обобщая положительный опыт работы ООО «Наука» и других специализированных предприятий, можно сделать вывод о том, что существует необходимость более широкого внедрения технологии ремонта оборудования композитными материалами всеми ремонтными структурами предприятий группы компаний ОАО «Татнефть» для снижения своих эксплуатационных затрат. Как показывает общемировая практика применения полимерных составов в ремонтных целях и накопленный отечественный опыт, данная технология может позволить снизить издержки производства на 30-60%. Это достигается за счет:
- сокращения закупок запасных частей и нового оборудования;
- снижения трудоемкости и энергоемкости ремонта оборудования;
- снижения количества отказов и внеплановых ремонтов и, следовательно, простоев оборудования.
В среднем в год от НГ ДУ в адрес сервисной компании УК ООО «ТМС групп», занимающейся ремонтом нефтепромыслового оборудования, поступает более 2 000 заявок из-за неисправности редукторов СК, что составляет порядка 15% от всех отказов станков-качалок. Затраты на их устранение для сервисного предприятия составляют около 9,5 млн. руб., а с учетом стоимости капремонта редукторов — более 61 млн. руб. Потери для ОАО «Татнефть» — это недобытая нефть из-за простоя приводов в ремонте на сумму более 10 млн. руб.
Наибольшее количество заявок по редуктору (40%) связано с пропусками масла по его валам. Проанализировав поступающие на ремонт в ООО «Татнефть-РНО-МехСервис» редуктора на предмет выявления причин образования пропуска масла, установлено, что большинство тихоходных валов имеют значительный износ поверхности под уплотнительной манжетой, что указывает на их недостаточную износостойкость. В связи с вышеизложенным в октябре 2010 года было принято решение о запуске экспериментальных работ по восстановлению изношенного места вала с помощью композитных материалов. Были выбраны четыре редуктора
станков-качалок с изношенными поверхностями тихоходных валов.
Выбор полимерного материала для восстановления вала зависит от условий работы, нагрузки, диапазона рабочих температур, воздействия химически агрессивных сред, а также конструктивных особенностей (наличие шпоночных пазов, шлицов и т.д.) [7]. При наличии исходной информации следует выбрать полимерный материал, имеющий соответствующие технические характеристики.
Нанесение ремонтного материала осуществляется на малой скорости (У=0,3-1,2 м/мин) при помощи специального инструмента — шпателя. Температура воздуха при работе с металлополимером не должна быть ниже 18°С. Нанесение может осуществляться в несколько этапов, в зависимости от величины нанесенного слоя.
Первый этап — на восстанавливаемую поверхность наносится небольшое количество полимерного материала, который втирается в поверхность.
Второй этап — сразу после втирания первого тонкого слоя на поверхность вала наносится слой металлополимера необходимой толщины и выравнивается шпателем.
Если нанесение металлополимера затруднено из-за большого размера наращивания вала, то нанесение можно осуществлять в несколько этапов после частичной полимеризации. После нанесения полимерного материала восстановленный вал должен иметь диаметр, превышающий номинальный для того, чтобы была возможна последующая токарная обработка.
После частичной полимеризации (через 2 часа при температуре 20°С) восстановленный вал можно обработать на токарном станке. После полной полимеризации (через 24 часа) отремонтированный узел может быть введен в работу.
Токарная обработка композиционных материалов, содержащих керамические наполнители, осложнена высокой твердостью, поэтому ее следует осуществлять с использованием алмазного или эль-борового инструмента.
При ознакомлении с ремонтными и основными производствами УК ООО «ТМС групп» и Бу-гульминского механического завода с участием специалистов ООО «Наука» было отмечено, что в производственной деятельности обоих предприятий существуют области, где целесообразно применение полимерных композитных материалов для решения их технических проблем и снижения текущих издержек. Так, в ООО «Татнефть-РНО-МехСервис» полимерные материалы и анаэробные герметики могут быть использованы при ремонте насосов ЦНС и редукторов СК. На Бугульминском механическом заводе эта технология востребована при ремонте металлорежущих станков, грузоподъемных механизмов, электродвигателей, редукторов, а также при производстве цепных приводов, коррозионностойких насосно-компрессорных труб и для устранения дефектов литья. Считаем целесообразным разработать этими предприятиями программы эксперимен-
тальных работ по применению полимерных композитных материалов и анаэробных герметиков при изготовлении и ремонте с целью последующей адаптации данной технологии в основном производстве.
Применения композитных материалов при технологии ремонта оборудования, используемой в процессе добычи, перекачки, переработки нефти и газа внедряемой в ОАО «Татнефть» заключается в использовании анаэробных фиксирующих и уплотняющих материалов.
Анаэробные фиксирующие и уплотняющие материалы — это композиции, которые быстро отверждаются в зазорах между металлическими поверхностями. При этом они надежно фиксируют, герметизируют и уплотняют резьбовые, фланцевые, цилиндрические соединения, микротрещины, сварные швы [6].
При воздействии вибрационных нагрузок силы трения в резьбе и на головке болта оказываются недостаточными, чтобы избежать отворачивания резьбового соединения из-за проскальзывания между поверхностями соединения. Поэтому при эксплуатации узлов машин происходит самопроизвольное ослабление резьбовых соединений. Для предотвращения самопроизвольного ослабления и разбалтывания резьбовых соединений разработаны жидкие однокомпонентные клеевые составы анаэробного действия, которые наносятся перед сборкой на место сопряжения резьбовой пары, и, заполняя все зазоры, надежно фиксируют и предотвращают самопроизвольное откручивание резьбового соединения даже в условиях сильной вибрации.
Фиксация происходит путем формирования адгезивного соединения и заполнения зазора в резьбе. Механизм полимеризации заключается в следующем: при соединении резьбовой пары состав, находясь без контакта с атмосферным кислородом полимеризуется, образуя вибростойкое соединение со 100% адгезионным контактом, защищающее от коррозии (рис. 1).
Рис. 1 - Технология фиксации и герметизации резьбовых соединений, применяемая в ОАО «Татнефть»
Анаэробные материалы широко применяются также для фиксации и центрирования любых резьбовых соединений (рис. 1) взамен разнообразных механических приспособлений. Фиксатор, заполняя пространство между витками резьбы, способствует равномерному распределению нагрузки по длине резьбы, устраняет утечку газа, жидкости, устойчив к вибрации.
В случае последующей достаточно частой разборки соединений целесообразно применять низкопрочные клеи или среднепрочные составы. Для соединений, не требующих частой разборки (на-
пример, ежегодный ППР), необходимо выбирать анаэробный состав, обладающий высокой прочностью. Если сборка проводится при температуре менее +5°С или фиксируются поверхностно-пассивные материалы (высоколегированные стали, алюминий, золото, титан и его сплавы, материалы с антикоррозионными покрытиями, пластмассовые изделия), то перед нанесением клея наносится активатор для увеличения прочности соединения. Для облегчения демонтажа резьбовое соединение необходимо нагреть до температуры 220-260°С.
При соединении деталей с «натягом» требуется дорогостоящая механическая обработка с жесткими допусками и тяжелое прессовое оборудование. При сборке возникают напряжения, деформация валов, втулок, повышается процент брака. Использование анаэробных фиксаторов позволяет перейти на посадку с зазором, отказаться от накатки валов при одновременном увеличении предела прочности на сдвиг. Клеи-фиксаторы по своим прочностным характеристикам в состоянии заменять шпоночные соединения. Чтобы получить прочное соединение необходимо, чтобы зазор между сопрягаемыми поверхностями был 20-50 мкм. В этом случае вы получаете посадку крепче, чем «горячая» на 120-160%.
Фиксация деталей «вал-втулка» и «вал-шестерня» применяется в установках подшипников в обойму, сборке роторов, шестерен, шкивов на валу. Фиксация позволяет исключить шпонки, стопорные винты, шплинты, которые приводят к дисбалансу и вибрации при работе деталей машин на больших скоростях. Также фиксаторы позволяют восстановить изношенные детали при наличии соответствующего зазора. В этом случае при посадке с зазором полимеризованный состав клея выдерживает нагрузку и передает крутящий момент (рис. 2).
Рис. 2 - Технология фиксации и герметизации подшибников и соединений типа «вал-
шестерня», применяемая в ОАО «Татнефть»
Для соединения «вал-втулка» и «вал-шестерня» с помощью фиксатора необходимо учитывать следующие данные:
— фиксаторы используются для передачи радиальной, осевой и скручивающей нагрузки — необходимое усилие срыва;
— вид сопряжения — посадка с зазором и посадка с натягом;
— при соединении по посадке с зазором — величину зазора;
— температура эксплуатации;
— необходимое время полимеризации.
В данном случае фиксаторы выбираются не по степени фиксации, как для резьбовых соединений, а по зазору.
Параметры, влияющие на условия применения:
— материал соединения, температура внешней среды (для определения необходимости использования активатор;
— наличие химически агрессивной среды;
— шероховатость поверхности (оптимальная шероховатость Яа 20-40).
Еще одним применением композитных материалов при технологии ремонта оборудования, используемой в процессе добычи, перекачки, переработки нефти и газа внедряемой в ОАО «Татнефть» является герметизация резьбовых и фланцевых соединений.
Обычные средства уплотнения резьбовых соединений (пенька, паста, краска и пр.), как правило, изготовляются из дешевых материалов и не выдерживают длительных прочностных нагрузок, и из-за частой смены, в конечном счете, они оказываются в применении дороже, чем анаэробные герметики. Часто обычные средства оказываются технически непригодными: разрушаются под действием вибрации и нагрузок, растворяются в агрессивных жидкостях, загрязняют рабочую среду.
Анаэробные уплотнители обеспечивают уплотнение, выдерживающее давление газов до 30-40, жидкостей до 60 МПа, тряску, вибрацию, изгиб и пр. Применение анаэробных составов в машиностроении позволяет экономить высококачественные марки металла, сократить количество металлообрабатывающих станков, повысить качество изделий, интенсифицировать и упростить технологический процесс производства, снизить себестоимость продукции. Их широкое использование повышает надежность изделий, резко снижает процент брака готовой продукции, удлиняет срок эксплуатации машин, позволяет ремонтировать технику на месте. Система уплотнения резьбовых соединений разработана для герметизации газопроводов, водопроводов, отопительных систем, фитингов, гидравлических и пневматических устройств (рис. 3).
Рис. 3 - Способ нанесения анаэробного состава для герметизации газопроводов, водопроводов, отопительных систем, фитингов, гидравлических и пневматических устройств ОАО «Татнефть»
Механизм полимеризации резьбовых уплотнителей анаэробный, реакция протекает при наличие контакта с металлической поверхностью и при отсутствии воздуха.
Анаэробные полимерные клеи и герметики имеют свойство полимеризоваться в зазорах между металлическими поверхностями деталей в момент, когда прекращается доступ кислорода. При этом они надежно фиксируют сопрягаемые детали, герметизируют и уплотняют зазор между ними. С помощью них можно также «залечивать» микротрещины в корпусных деталях и в сварных швах [5]. Использование анаэробных полимерных герметических материалов при контровке резьбовых соединений позволит отказаться от механических стопорных элементов — контргаек, пружинных шайб, шплинтовки проволокой и др. При этом обеспечивается равномерность распределения нагрузки по резьбе, повышается стойкость к вибрации, ударным нагрузкам, предотвращается коррозия. Полностью заполняя пространство между витками резьбы, герметик способствует равномерному распределению нагрузки по длине резьбы, устраняет утечку газа, жидкостей. Разбор соединений может производиться обычным инструментом. Использование анаэробных составов в цилиндрических соединениях позволит усилить их посадку, заменить прессовую посадку на скользящую, предотвратить фреттинг-коррозию, снизить допуски на обработку фиксируемых поверхностей сопрягаемых деталей.
В деятельности по ремонту оборудования, используемой в процессе добычи, перекачки, переработки нефти и газа внедряемой в ОАО «Татнефть» используется фиксация трудносклеиваемых материалов.
Фиксация трудносклеиваемых материалов возможно с помощью цианакрилатных клеев. Циа-накрилатные клеи — это одно компонентные материалы универсального назначения. Склеивают искусственные материалы, резину, металл, керамику, камень, стекло, дерево, ткани, кожу и т. д. Быстро отверждаются под влиянием влаги, содержащейся в воздухе. Инициирование реакции полимеризации и приобретение первоначальной прочности при отверждении продолжается от нескольких секунд до нескольких десятков секунд. Самый хороший результат склеивания получается при комнатной температуре и относительной влажности воздуха 5060%. Цианакрилатные клеи позволяют получать прочные соединения при склеивании материалов разной влажности [7].
Еще одной перспективной нанотехнологией, примяняемой при ремонте оборудования, используемой в процессе добычи, перекачки, переработки нефти и газа ОАО «Татнефть», является устранение дефектов литья.
Данная технология предназначена для устранения дефектов поверхностей деталей или изделий, образовавшихся в процессе изготовления (отливки) или эксплуатации. В зависимости от рабочих функций восстанавливаемой поверхности для ремонта могут быть использованы различные метал-лополимеры полученные с использованием нанотехнологий.
Микропоры и микротрещины образуются после литья, обработки отливок, запрессовки или
после длительного использования из-за износа, коррозии, кавитации и эрозии. Импрегнирование, то есть заполнение является проверенным методом, который уже многие десятилетия широко используется во всем мире. Для этой цели необходимо использовать низковязкий пропиточный материал-клей, который обладает пропитывающими свойствами и проникает в трещины до 0,02 мм.
Также данная технология используется в процессе ремонта редукторов. В процессе ремонта специалистам ОАО «Татнефть» приходиться сталкиваться с проблемой их герметизации. Старые уплотнения пришли в негодность, сопрягаемые поверхности деформированы, прокладки из паранита не эффективны, масло постоянно вытекает из редуктора. Баварское бюро по защите окружающей среды «БгисЫий т Handwerk» провела исследования и рассчитала экономические потери от утечки масла на промышленных предприятиях. Результаты исследований приведены в таблице 1 [8].
Таблица 1 - Потери от утечек масла в редукторе (исходя из расчета стоимости масла 55,50 руб. за
1 л)
Характер течи Потери в день, литры Потери в год, литры Потери в год, рубли
Одна капля в 10 секунд 0,56 204 11 400
Одна капля в 5 секунд 1,12 409 22 753
Одна капля в секунду 5,62 2 049 113 766
В таких условия успешно применяются силиконовые герметики, которые способны устранять зазоры до 6 мм.
Технология по устранению трещин емкостей и трубопровода, трещин и сколов корпусов предназначена для ремонтно-восстановительных работ с применением полимерных материалов на трубопроводах низкого и среднего давления (до 25 атм.). При ремонте сквозных отверстий в трубопроводе система не должна быть под давлением. Допустимая площадь единичного несквозного дефекта, подлежащего ремонту, в зависимости от остаточной толщины стенки трубопровода указана в таблице 2.
Таблица 2 - Подбор площади единичного несквозного дефекта
Зона зачистки и загруб-ления поверхности, мм2 Остаточная толщина стенки после зачистки, 8 % Минимальное допустимое расстояние между дефектами, мм
1 800 > 70 56
1 200 50>....< 70 56
400 300< Б > 400 40
Максимально допустимое рабочее давление в трубопроводе после ремонта в зависимости от типа и размера сквозных дефектов указано в табл. 3.
Таблица 3 - Подбор рабочего давления в трубопроводе после ремонта
Тип дефекта Размеры сквозного дефекта. Ь -длина, 8 - площадь Максимальное рабочее давление, атм.
Сквозной линейный Ь < 120 56
Сквозное отверстие Б < 300 56
300 < Б < 400 40
Еще одной перспективной нанотехнологией для внедрения в ОАО «Татнефть» является защита металла и бетона от воздействия агрессивных сред.
Для защиты бетона и металла от воздействий агрессивных сред успешно используются защитные покрытия с керамическими и металлическими добавками. Защитные покрытия делятся на две группы — Керамик и Протектор, которые применяются для защиты от кавитации, абразивного воздействия, коррозии и эрозии. Защитные покрытия химически стойки к агрессивным средам. Они довольно просты в приготовлении, имеют хорошую адгезию к металлам и бетону и не изменяются в объеме в процессе полимеризации. Характеризуются стойкостью к коррозии и эрозии в среде с повышенной влажностью и испаряемостью. В большинстве случаев стойкость к износу даже выше, чем у стали.
При выборе состава необходимо исходить из следующих критериев:
— связующее должно иметь высокую жизнеспособность при введенной отверждающей системе;
— связующее должно обладать оптимальной вязкостью для обеспечения хорошего заполнения литьевой формы.
Реакционная способность смолы не должна превышать оптимального значения, с целью минимизации температуры саморазогрева в процессе отверждения.
Для управления технологическими характеристиками связующего на основе полиэфирных смол используют различные приемы. В состав связующего вводят добавки, позволяющие изменять вязкость системы в зависимости от механического воздействия. В качестве таких добавок применяют оксид кремния, бентонит, замещенные мочевины, сополимеры винилхлорида, винилацетата и т.п.
Кроме таких добавок в состав связующего вводят загущающие добавки-оксиды, гидроксиды и соли двухвалентных металлов. Процесс загущения имеет три стадии: стадию низкого загущающего эффекта, стадию резкого возрастания вязкости и стадию стабильной вязкости.
На процесс химического загущения, сшивающегося на основе полиэфирных смол, оказывает существенное влияние ряд факторов: количество загущающей добавки, дисперсность, присутствие активаторов, ингибиторов или регуляторов структурирования, строения ненасыщенного полиэфира,
содержание карбоксильных групп, равномерность распределения добавки в объеме.
Одним из основных критериев выбора связующего является его жизнеспособность, то есть продолжительность пребывания смолы в вязкотекучем состоянии после введения инициирующей системы. Момент перехода композиций в текучее (желеобразное) состояние называется желатинизацией или гелеобразованием. Период с момента введения инициирующей системы до гелеобразования называется временем гелеобразования.
Время гелеобразования зависит от природы и концентрации компонентов отверждающей системы, объема (массы) приготовленного связующего, природы и концентрации ингибиторов, природы и количества наполнителя, воздействия тепловых и электрических полей, излучений, вибраций и т.п. После гелеобразования начинается стадия структурирования, в течение которой композиция имеет частично сшитую структуру, обеспечивающую высокую деформативность. Такое состояние композиции называют резиноподобным, а время его достижения — временем резиноподобного состояния.
Управляя параметрами желатинезации и резиноподобного состояния, удается регулировать технологические и прочностные характеристики композиций.
Скорость сшивки смолы зависит от оптимального состава перекиси, ее количества и температуры.
Для отверждения смолы используют 0,5-3% инициатора или смеси инициаторов.
Наибольшее применение в практике получили инициирующие системы отверждения, содержащие перекисный инициатор и ускоритель, в качестве которого используют стирольные растворы нафтената кобальта, растворы диметиланилина в стироле и т. п.
Для двухкомпонентных отверждающих систем существует область температур переработки, при которых возможно достижение оптимальных характеристик сшитых связующих. Например, для системы перекись бензола + диметиланилин она составляет 15-30 с, для системы перекись метилэ-тилкетона + нафтенат кобальта — 20-40 с, гидроперекись трет-бутила + нафтенат кобальта — 60-70 с.
Повышение содержания ионов металла (кобальта) в нафтенате приводит к увеличению его активности.
В состав отверждающей системы и композиции вводят соускорители, которые обеспечивают высокую скорость отверждения даже при отрицательных температурах.
Увеличение скорости отверждения можно достичь при введении в состав связующего солей аммония органических кислот, ацетилацетонов металлов V, А1, Мо, Мп, Ре, Сг, галогенных солей меди и т. п.
При переработке сшивающихся смол необходимо регулировать скорость отверждения, снижая ее как на стадии гелеобразования с целью повышения технологической жизнеспособности, так и на
стадии резиноподобного состояния с целью снижения экзотермического эффекта отверждения. Поэтому в состав отверждающей системы вводят замедлители отверждения. В качестве ингибиторов используют воду, спирты и т.п.
В идеальном случае ингибитор обеспечивает длительное хранение растворов полиэфиров в мономерах и необходимую скорость их гелеобразо-вания, но не должен замедлять отверждение и отрицательно влиять на свойства отвержденных продуктов.
Эффективной инициирующей системой, увеличивающей время резиноподобного состояния до 60 мин., является комбинация перекисного и гид-роперекисного инициатора, ускорителя с гидрохиноном и дифенилпропаном. Композиции с длительным резиноподобным состоянием (в течение нескольких суток) получают, используя в составе инициирующей системы производные ферроценов.
Существенной проблемой является повышение физико-механических и эксплуатационных свойств полиэфирных связующих. В чистом виде связующие на основе полиэфирных смол применяются крайне редко. В состав связующих для повышения служебных характеристик вводят функциональные ингредиенты, которые снижают коэффициент трения, уменьшают износ, повышают прочность, теплостойкость, ударную вязкость и т. п.
Специфика композиций на основе полиэфирных смол состоит в необходимости путем введения наполнителей и модификаторов одновременного управления технологическими и эксплуатационными характеристиками, например, технологической живучестью, временем резиноподобного состояния, прочностью, теплостойкостью.
Важнейшим недостатком связующего на основе полиэфирных смол является нестабильность технологических характеристик и, прежде всего, усадки, которая достигает 6-9%. Усадка связующего главным образом связана с количеством прореагировавших двойных связей насыщенного полиэфира и мономера.
Вклад стирола в усадку достигает 17%, ненасыщенного полиэфира — 3%. В общую усадку большой вклад вносит и термоусадка в процессе охлаждения. Традиционное регулирование усадки путем введения наполнителей для композиций на основе полиэфирных смол малоэффективно.
Для снижения усадки большой эффект дают дисперсные полимеры: полиэтилен, полистирол, полиметилметакрилат. Все наполнители в малоусадочных композициях делят на 4 класса:
— нерастворимые при комнатной температуре в стироле, но набухающие в нем в условиях формования;
— образующие диспергированную фазу в виде эмульсии;
— содержащие кроме термопласта и олигомера ненасыщенный полиэфир;
— полностью растворяющиеся в смоле.
Для снижения усадки в состав связующих
на основе полиэфирных смол вводят эластомеры,
полиэтилен, полипропилен, стеарат цинка, перманганат калия и окись алюминия, мел в сочетании с полистиролом и поливинилацетатом.
Эффективным методом снижения усадки является одновременное введение дисперсного полиэтилена и кремнийорганических жидкостей. Для повышения износостойкости композиции на основе полиэфирных смол применяют различные наполнители и модификаторы: графит, дисульфид молибдена, фторопласт-4, порошки металлов и их оксидов. Однако традиционные наполнители снижают коэффициент трения и повышают износостойкость материала только при больших степенях наполнения (2040 масс%), что существенно снижает их технологические и прочностные характеристики. Более эффективным приемом оказывается введение в состав композиций легкоплавкого полимера в сочетании с сухой смазкой и смазочным маслом.
Хороший эффект достигается при введении в сшивающее на основе полиэфирных смол марки ПН-1 стеклоткани и железного порошка. Для повышения износостойкости в сшивающее рекомендовано вводить полипропиленовые и полиамидные волокна. Материал с хорошей износостойкостью получают при модифицировании смолы карбонатом кальция, стекловолокном и политетрафторэтиленом. Износостойкость связующих повышает волокно из поливинилового спирта.
Абразивостойкие материалы получают при наполнении связующего на основе полиэфирных смол порошкообразным полиэтиленом и стекловолокнистым наполнителем.
Таким образом, рассмотренные выше технологии при ремонте оборудования, используемой в процессе добычи, перекачки, переработки нефти и газа ОАО «Татнефть» созданные на основе современных нанотехнологических решений должны активно использоваться для минимизации трудовых и материальных затрат. Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что в производственном секторе компании наибольшее применение могут получить следующие виды композитных триботехнических материалов:
— композитные (металлонаполненные)
многокомпонентные составы;
— анаэробные полимерные герметизирующие материалы (ПГМ);
— клеи для соединения различных материалов между собой;
— коррозионно- и износостойкие покрытия;
— защитные покрытия с керамическими и металлическими добавками.
Литература
1. Дунаев, В. Ф. Экономика предприятий нефтяной и газовой промышленности / В. Ф. Дунаев. — М.: ООО «ЦентрЛитНефтеГаз», 2006. — 380 с.
2. Котов, Д. В. Ретроспективный анализ подходов к управлению инновациями / Д. В. Котов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2010 (http://www.ogbus.ru/authors/Kotov/Kotov _2.pdf).
3. Ленкова, О. В., Игнатенко, Д. А. Инновации в нефтехимии: сущность, виды, алгоритм отбора / О. В. Ленкова, Д. А. Игнатенко // Нефть и газ Западной Сибири: материалы Международной научно-технической конференции, посвященной 55-летию Тюменского государственного нефтегазового университета. Т. 4; отв. ред. О. Ф. Данилов. — Тюмень: ТюмГНГУ, 2011. — С. 212-215.
4. Материалы будущего: перспективные материалы для народного хозяйства. Пер. с нем. / Под общ. ред. А. Неймана. — Л.: Химия, 1995.
5. Медведева, В. Р. Формирование рынка нанотехнологий как инновационное развитие российской экономики // В. Р. Медведева // Вестник Казан. технол. ун-та. — 2011. — Т. 14, № 14. — С. 264-271.
6. Рахматуллин, Д. Перспективы реновационных технологий / Д. Рахматуллин // Нефтяник Татарстана. — 2008.
— №3. — С. 27-31.
7. Струк, В. А. Антифрикционные материалы на основе полимерных связующих / В. А. Струк. — Гродно, 1996.
8. Технологии ^^йе® для тепловых электростанций.
Обслуживание, ремонт и защита // // ООО «Хенкель Рус». 2012
http://www.henkel.com/rss/content_data/102757_Power_Pla nts_SER.pdf).
9. Шаммазов, А. М. От контроля количества к управлению качеством. История развития менеджмента качества в ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» / А. М. Шаммазов, Р. Н. Бах-тизин, Р. Г. Шарафиев, К. Э. Писаренко. — Уфа: Издательство «Нефтегазовое дело», 2009 — 92 с.
10. Юнь, О. Инновационная деятельность в промышленности / О. Юнь, В. Борисов // Экономист. — 2009. — № 9.
— С. 22-25.
© Н. В. Воронова — асс. каф. экономики КНИТУ, avoron2007@mail.ru.
