Полная версия

Главная arrow География arrow Защита насосного оборудования нефтяных скважин в осложненных условиях эксплуатации

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Обоснование использования сверхвысокомолекулярного полиэтилена для покрытия рабочих колес установки электроприводного центробежного насоса

В технике и технологии добычи нефти и газа в последнее время стали применяться материалы на полимерной основе. Как было видно в обзоре технологических и химических методов уменьшения песко- проявлений (гл. 1), велика их роль в решении вопросов эффективного применения потокоотклоняющих и водоизолирующих технологий. Использование конструкционных материалов на основе синтетических полимеров, уровень их свойств и масштабы производства стали одним из факторов, определяющих мировой технический прогресс [67]. Тенденция к замене изделий из металла на детали, конструкции и покрытия из полимеров заметна во всех областях индустрии. Это связано с прогрессом в химии и технологии полимеров, приведшим к созданию синтетических материалов, не уступающих металлическим по прочности, но обладающих значительно меньшей плотностью и более высокой коррозионной стойкостью, высокими тепло- и электроизоляционными характеристиками, простотой переработки в изделия [68].

Известно множество типов и марок полиэтилена. Однако не все марки полиэтилена, обладающие особыми физико-механическими свойствами, могут быть отнесены к конструкционным полимерам. Наиболее перспективным полимерным конструкционным материалом является сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), который относится к новому поколению полимеров. СВМПЭ имеет уникальные физико-механические свойства, востребован в самых различных областях. Благодаря высокой износостойкости, устойчивости в агрессивных средах, низкому коэффициенту трения, высокой ударной вязкости, рекордно низкой температуре хрупкости (до -200 °С), из него можно создавать изделия, способные работать в экстремальных условиях (табл. 16). Кроме того, СВМПЭ относится к наиболее доступным и дешевым полимерным материалам. К сверхвысокомолекулярным относят полиэтилены с молекулярной массой свыше 1 000 000 г/моль [68, 69].

Как видно из рис. 51, истираемость СВМПЭ более чем в 5 раз ниже фторопласта. Способность поглощать энергию удара является одним из замечательных свойств СВМПЭ, и этим обусловлено его использование в системах индивидуальной и коллективной защиты, защиты орбитальных станций от метеоритов и космического мусора.

Благодаря этому, наряду с высокой стойкостью к истиранию и низким коэффициентом трения, он получил широкое применение в производстве пластиковых лыж, сноуборда.

Физические свойства СВМПЭ

Таблица 16

Параметры свойств СВМПЭ

Значение

Плотность, г/см3

0,92-0,94

Прочность при разрыве не менее, МПа

48

Относительное удлинение при разрыве не менее, %

350

Модуль упругости при растяжении не менее, ГПа: при 23 °С

0,69

-269 °С

2,97

Коэффициент трения по стали: при сухом трении

0,1-0,2

в водной среде

0,05-0,1

в среде масел

0,01-0,08

Температура перехода в пластическое состояние, °С

138-142

Твердость по Шор А

62-66

Коэффициент линейного расширения, КИ/К от -200 до -100 °С

0,5

20-100°С

2

Электрическое сопротивление ?2

5х 104

Диэлектрическая прочность, кВ/см

900

Предельная рабочая температура, °С

100

Относительная истираемость, %, различных материалов

Рис. 51. Относительная истираемость, %, различных материалов: СВМПЭ; нейлон; ПТФЭ - фторопласт; полипропилен; PVC - поливинилхлорид; РММА - полиметилметакрилат; ЕР - эпоксидная смола

На рис. 52 приведены сравнительные данные ударной стойкости различных материалов. Ударная стойкость СВМПЭ в 7 раз выше, чем у фторопласта при нормальных условиях. С понижением температуры ниже О °С стойкость к ударным воздействиям ослабевает, но эта способность СВМПЭ не исчезает даже при температурах, близких к абсолютному нулю.

Ударная стойкость различных материалов [68, 71]

Рис. 52. Ударная стойкость различных материалов [68, 71]

Ударная вязкость СВМПЭ как функция температуры

Рис. 53. Ударная вязкость СВМПЭ как функция температуры

Как видно из рис. 53, наилучшей ударной вязкостью СВМПЭ обладает при нормальных условиях. При температуре выше 100 °С СВМПЭ утрачивает свои замечательные свойства, и эксплуатация его при высоких температурах нежелательна.

Области применения СВМПЭ [67, 72, 73]:

  • 1. Направляющие и облицовка для бункеров, кузовов карьерных самосвалов, вагонов и различных механизмов в горнорудной промышленности, исключающие налипание и намерзание льда, сыпучих и глинистых материалов.
  • 2. Детали и элементы конструкций, подвергающиеся ударной нагрузке и истиранию в машиностроении, текстильной и целлюлозно- бумажной промышленности: катки, зубчатые передачи, опорные втулки, бессмазочные подшипники, направляющие и др. Металлические валы могут свободно вращаться во втулках из СВМПЭ, несмотря на несоосность или присутствие песка, пыли и других видов загрязнений. Трубы из СВМПЭ не боятся перепадов температуры, подвижки грунтов. По ним может транспортироваться в водной пульпе уголь, руда, нефтепродукты и прочие материалы. Износ труб в такой транспортной магистрали будет минимальным, налипание исключается.
  • 3. Сепараторы для автомобильных аккумуляторов. Они выгодно отличаются стойкостью к ударным воздействиям.
  • 4. Ленты и пластины для изготовления скользящих поверхностей спортинвентаря: лыжи, сноуборды и др.
  • 5. Морозостойкие износостойкие композиционные материалы для резинотехнических изделий.
  • 6. Эндопротезы. Элемент скольжения в протезах суставов изготавливают из высокоочищенного СВМПЭ.
  • 7. Фильтры. Размер пор фильтров из СВМПЭ определяется технологическими параметрами при получении. Из одного и того же материала можно получить фильтры с различным размером пор.
  • 8. Изделия и конструкции специального назначения, в том числе корпусные элементы вооружений и военной техники, конструкционные материалы для авиа-, вертолето- и ракетостроения, средства индивидуальной и коллективной бронезащиты и т. д.
  • 9. Судо-, автомобилестроение, армирование труб и кабелей, производство суперпрочных канатно-веревочных изделий.

В настоящее время мировое производство порошка СВМПЭ приближается к 200 тыс. т и имеет устойчивую тенденцию к росту. Основными производителями СВМПЭ являются Германия, Голландия, Япония. В 2009 г. фирма Ticona (Германия) запустила в Китае завод по производству СВМПЭ порошка в объеме 20 тыс. т [74].

Известно, что полиэтилены состоят из кристаллической и аморфной фазы [75]. Соотношение между ними близко к единице и определяется параметрами процесса получения. Однако в последнее время удалось установить наличие порядка в аморфной составляющей. По результатам [76] СВМПЭ состоит из трех фаз: полностью кристаллической, полностью аморфной и промежуточной. После облучения эта фаза частично или полностью приобретает кристаллическую структуру; фаза является граничной, и основные структурные перестройки происходят именно в ней.

Молекулярная масса является одним из важнейших параметров, определяющих реологические и физико-механические свойства полиэтилена. На рис. 54 приведены упрощенные зависимости ряда макросвойств полиэтилена от величины молекулярной массы.

Зависимость свойств полиэтилена от молекулярной массы

Рис. 54. Зависимость свойств полиэтилена от молекулярной массы

Как видно, с увеличением молекулярной массы свыше 1 х Ю6 г/моль наблюдается неявно выраженный экстремум плотности и значительное улучшение показателя истираемости. Как было показано в [67], с увеличением молекулярной массы с Зх106 до 6x106 моль/г приблизительно на 30 % улучшается стойкость к истиранию и на столько же уменьшается ударная прочность.

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен производится методом суспензионной полимеризации этилена в среде углеводородного растворителя с использованием современных нанесенных катализаторов типа Циглера-Натта [70]. Конечным продуктом процесса полимеризации является порошок СВМПЭ со средним размером частиц 50-200 мкм. В зависимости от области применения этого полимера и способов его переработки в конечные изделия необходимо производить различные марки порошков СВМПЭ, отличающихся молекулярной массой, морфологией частиц порошка (размер частиц и насыпная плотность порошка) и надмолекулярной структурой.

Известно, что свойства СВМПЭ зависят от состава катализатора и от условий полимеризации этилена на этих катализаторах. В Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН к настоящему времени разработан широкий набор высокоэффективных нанесенных титан-магниевых катализаторов (ТМК) для производства СВМПЭ, отличающихся дисперсностью, морфологией и способностью к регулированию.

Таким образом, в результате совместных работ ООО «ТНХ» и Института катализа СО РАН выполнен инновационный проект по разработке современной отечественной технологии производства порошка СВМПЭ, позволяющей получать широкий марочный ассортимент этого полимера. Наработаны опытные партии СВМПЭ, которые успешно испытаны у различных потребителей. Полученные результаты являются основой для создания промышленного производства СВМПЭ и широкого введения этого нового конструкционного полимера на российский рынок.

Особенностью СВМПЭ является высокая вязкость расплава. При нормальном давлении с увеличением температуры порошок СВМПЭ не переходит в вязкотекучее состояние вплоть до разложения. Этим обусловлена особенность технологии переработки порошка СВМПЭ в объемные изделия (пластины, трубы, уплотнения и др.).

Пленки из СВМПЭ могут использоваться для защиты металлических поверхностей в пищевой и фармацевтической промышленности. Для создания поверхностной пленки из СВМПЭ на подготовленной поверхности металла применим метод нанесения порошка СВМПЭ в электростатическом поле. Имеется несколько методик подготовки поверхности к нанесению покрытия. Для получения сплошной пленки СВМПЭ на поверхности металла требуется температура прогрева не ниже 220 °С. При этом формируется ровное однородное покрытие толщиной 30-50 мкм. Для увеличения толщины покрытия необходимо повторить операцию нанесения и прогрева несколько раз. Полученное покрытие характеризуется высокой прочностью при ударе, эластичностью при изгибе. Адгезия покрытия к металлу по методу отслаивания решетчатых надрезов в соответствии с ГОСТ 15140-78 считается наилучшей. Покрытие является сплошным и непроницаемым для хлорид-иона. Этот вид покрытия эффективен для защиты от грибков, коррозии металлических поверхностей помещений, связанных с приготовлением пищи, вентиляционных коробов.

Наиболее распространен способ переработки порошка СВМПЭ в объемные изделия и заготовки методом горячего прессования [75, 76]. Горячее прессование осуществляется в специальных пресс-формах. Первый цикл - холодное прессование - происходит при сравнительно невысоких температурах (< 100 °С) в течение 5-10 мин при давлении до 10 МПа. За этот цикл воздух должен быть удален, частицы должны максимально заполнить весь объем. Цикл горячего прессования осуществляется при температуре 180-230 °С. Время прессования определяется толщиной получаемого изделия, при этом важно, чтобы сплавился весь объем. Если частицы воздуха запекаются в полимерной матрице, то удалить их становится чрезвычайно сложно. Процесс охлаждения должен осуществляться под давлением, близким к 10 МПа. После охлаждения усадка СВМПЭ составляет 4-8 %. В зависимости от вводимых наполнителей величина усадки, как и время горячего прессования, значительно отличается. Это, в первую очередь, обусловлено изменением теплопроводности и характером взаимодействия частиц полимера и наполнителя. Из полученных заготовок можно формовать изделия более сложной формы при температурах 160-180 °С.

Композиционные материалы на основе СВМПЭ могут обладать значительно лучшими эксплуатационными свойствами по сравнению с чистым СВМПЭ, резинами и пластмассами, особенно при отрицательных температурах.

Одним из резервов повышения качества полимерных материалов является применение нанотехнологических подходов - модификация исходных полимеров нанодисперсными добавками, позволяющими управлять структурой и свойствами материалов в широких пределах за счет зародышеобразующих и ориентационных эффектов, изменения конформации макромолекул, их химического связывания с поверхностью наноразмерных частиц и «залечивания» дефектов структуры. Введение добавок высокодисперсных наноразмерных неорганических частиц: аэросила, талька, оксидов алюминия - сопровождается улучшением физико-механических свойств полимера [67-69]. При этом повышается стойкость к истиранию, стойкость к растрескиванию, изменяется ряд других свойств.

На рис. 55 приведены данные об относительной истираемости образцов после плазменной, механической активаций, введения фул- леренов, твердых частиц различной размерности, измеренной по ГОСТ 426-77 (метод определения сопротивления истиранию при скольжении о жёстко закрепленные абразивные частицы).

Проведенные исследования позволили разработать композиционные материалы на основе модифицированного СВМПЭ с заданными свойствами для конкретных условий эксплуатации [67]. Изготовленные из них изделия методом горячего прессования переданы на опытную эксплуатацию. По результатам законченных производственных испытаний изделия из СВМПЭ материалов на порядок превосходят фторопласт по стойкости к абразивному износу (испытаны в ЗАО «Полюс-Золото»), более чем в два раза превосходят капролон при эксплуатации в режиме периодических ударных нагрузок (Геофи- зическая служба СО РАН), значительно превосходят вакуумную керамику и капролон по прочности в режиме гидроударных микросе- кундных воздействий с фронтом до 40 МПа в камере плазмы (НИИ газоразрядных приборов «Плазма»).

Относительная истираемость образцов СВМПЭ с молекулярной массой 5,0 млн г/моль с различным типом модифицирования

Рис. 55. Относительная истираемость образцов СВМПЭ с молекулярной массой 5,0 млн г/моль с различным типом модифицирования: 1 - чистый СВМПЭ; 2 - механоактивация на АГО-2 в течение 10 мин; 3 - введение 1 % фуллеренов; 4 - обработка в плазменном разряде; 5-7 - введение 2, 7 и 30 %, соответственно, ультрадисперсных частиц карбида кремния с размерами 50-200 мкм; 8 - введение 5 % карбида кремния с размерами частиц до 1 000 мкм

В зависимости от типа модифицирования истираемость может отличаться до сотен раз. Введение более крупных твердых частиц с одновременным активированием порошка с высоким уровнем энергий приводит к максимальному росту стойкости к истиранию (тип модифицирования 8 см. на рис. 55).

Еще одно немаловажное свойство СВМПЭ связано с тем, что к нему очень плохо прилипают различные механические примеси, содержащиеся в жидкости. В Институте нефти и газа нами проведен эксперимент по определению и сравнению прилипаемости твердых частиц к поверхностям различных материалов: чугуну и СВМПЭ.

Через чугунную трубу (новая канализационная труба) и металлическую трубу того же диаметра, но армированную изнутри СВМПЭ, в течение 5 сут прокачивали воду с содержанием более 2 000 млг/л механических примесей.

На поверхности полимера практически не задерживались и не прилипались твердые частицы, в то время как на поверхности чугуна задерживалось небольшое количество частиц. Это свойство СВМПЭ очень ценно при изготовлении из него наружных сеток для фильтров, размещаемых на приеме насосной установки, покрытий рабочих колес и направляющих аппаратов электроцентробежных насосов и т. д.

Прилипая к поверхности рабочего колеса и направляющего аппарата ступеней насосов, твердые частицы, содержащиеся в перекачиваемой жидкости, образуют достаточно твердую и толстую корку, что через определенное время приводит к уменьшению зазоров и заклиниванию насоса. Иногда последствия такого явления приводят к более тяжелым последствиям, чем износ деталей насосного оборудования. В результате заклинивания насоса нередко выходит из строя электродвигатель.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>