Управление ресурсом безопасной эксплуатации стальных резервуаров для хранения нефтепродуктов
При определении рецептуры резины, предназначенной для использования
в уплотнениях ПП и ПК резервуаров, учитывалось, что они (резины) должны иметь высокие показатели бензо-водостойкости, морозостойкости, износостойкости в условиях трения по окрашенной стальной поверхности.
В работе исследованы в качестве основы резиновых смесей каучуки марок СКН-26, СКН-40, СКМС-30РП, БАК-12. Определение свойств резин осуществляли непосредственно в ходе подбора компонентов и корректировки рецептуры резиновых смесей.
Таблица 11 — Значения физико-механических показателей и расчетной долговечности в воде и бензине двухслойных систем ЛКП толщиной 120–130 мкм
Показатель | КР-1 | КР-2 | КР-2Д | КР-2M1 | КР-2М2 | КР-3 |
Предел прочности при растяжении пленок, МПа | 20,5 | 21,8 | 22,5 | 22,5 | 22,8 | 25,7 |
Относительное удлинение при разрыве пленок, % | 18,6 | 20,4 | 21,5 | 21,8 | 20,2 | 20,8 |
Адгезионная прочность к стали, МПа | 7,5 | 8,2 | 8,5 | 9,8 | 10,3 | 12,6 |
Водопоглощение пленок, % | 0,42 | 0,35 | 0,30 | 0,12 | 0,15 | 0,18 |
Набухаемость пленок в бензине, % | 0,18 | 0,18 | 0,20 | 0,20 | 0,16 | 0,14 |
Долговечность двухслойного покрытия толщиной 120–130 мкм, годы: при действии воды | 10,5 | 12,3 | 14,1 | 15,9 | 16,2 | 16,9 |
при действии бензина | 18,3 | 18,8 | 19,1 | 18,5 | 18,7 | 19,3 |
Износостойкость резин на основе всех исследованных каучуков возрастала при повышении активности (дисперсности) технического углерода, а также при введении графита, фторопласта, угольной ткани. Введение дибутилсебацината
и морозостойкого бутадиен-стирольного каучука позволило улучшить морозостойкость.
Для повышения теплостойкости введены ингибиторы ацетонанил Р, диафен ФП и амид тиофосфоновой кислоты. С целью лучшего совмещения бутадиен-нитрильного и бутадиен-стирольного каучуков в резиновую смесь добавлен гексахлорксилол, а в качестве технического углерода выбран наиболее высокодисперсный технический углерод ПМ-100. Для усиления ингибируюшей группы термогравиметрическим методом установлено, что смесь ингибиторов амидтиофосфоновой кислоты (Б-25), диафена ФП и ацетонанила в соотношении 0,5:1,0:0,5 мас. ч. проявляет синергетический эффект. Введение в резиновую смесь хлоропренового каучука резко увеличивает относительное удлинение при разрыве, но вместе с тем снижает прочностные характеристики и твердость.
Введение в резиновую смесь наполнителей (технического углерода) снижает степень набухания соответственно уменьшению доли каучука в смеси. При малой степени набухания преобладает положительное влияние гибкости цепей, способствующее ориентации, и прочность в начальный период экспозиции в среде
несколько повышается.
Резиновые смеси для приготовления образцов изготавливались как на вальцах 630 315, так и в резиносмесителе объемом 250 л. Температура смешения ингредиентов с каучуками не превышала 70 оС, а при введении тиурама и серы валки охлаждали до температуры не выше 40–50 оС. Образцы резин в виде лопаток соответствовали ГОСТ 270–75, тип 1.
Определение показателей свойств вулканизованных резин до и после воздействия рабочих сред проводили в соответствии со стандартными и широко апробированными методиками:
- Изменение массы — по ГОСТ 9030–74;
- Предел прочности при растяжении и относительное удлинение при раз-
рыве — по ГОСТ 270–75 на разрывной машине РМИ-30; - Твердость — по ГОСТ 263–75 на приборе ТМ-2 (вдавливанием иглы);
- Морозостойкость — по ГОСТ13808–74 на приборе ПВР-1;
- Износостойкость — на машине МТ-21 (конструкция Г. В. Конесева,
УГНТУ).
Определены показатели опытно-промышленных партий стандартной марки В-14, получившей наиболее широкое распространение в нефтегазовой отрасли
и новых, обозначенных Р-1–Р-3. Рецептуры упомянутых резин приведены в таблице 12. Прочностные характеристики резин даны в таблице 13, степени набухания
в воде и бензине — в таблице 14.
Основным параметром, определяющим герметичность уплотнений плавающих крыш и понтонов, принято контактное давление рк, которое после установки уплотнений (рк0) сначала быстро уменьшается вследствие обратимого физического процесса релаксации напряжений в резине (при нормальной температуре за
несколько десятков часов), а затем медленно уменьшается вследствие старения материала (при нормальной температуре — несколько лет).
Уменьшение контактного давления в процессе старения описывается уравнением
pк = pкme–k. (27)
Экспериментальное определение рк сопряжено со значительными трудностями, поэтому вместо рк0/рк использовали накопленную относительную остаточную деформацию h = (h0 – h2) / (h0 – h1), где h0 — размер до деформации; h1 — размер при деформации под нагрузкой; h2 — размер после разгрузки и выдержки
в течение 3 мин.
При практических расчетах старения пользовались безразмерной величии-
ной , которую назовем «коэффициентом сохранности начальных свойств»:
= рк / рк0, (28)
или, что одно и то же:
= h / h0, (29)
где рк — контактное давление в уплотнительном соединении после экспозиции
в рабочей среде в течение времени , МПа; рк0 — контактное давление в уплотнительном соединении до экспозиции в рабочей среде, МПа.
Таблица 12 — Состав пробных рецептур резиновых смесей
Ингредиент | Р-1 | Р-2 | Р-3 |
СКН-40 | 50 | 50 | 50 |
СКМС-ЗОРП | 50 | 50 | 50 |
Сера | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
Тиурам Д | 2,0 | 2,0 | 2,0 |
Сульфенамид Ц | 2,2 | 2,2 | 2,2 |
Стеарин | 2,5 | 2,5 | 2,5 |
Оксид цинка | 5,0 | 5,0 | 5,0 |
Инденкумароновая смола | 6,0 | 3,0 | 3,0 |
Дибутилсебацинат | 10 | 5,0 | 5,0 |
Технический углерод ПМ-100 | 60 | 40 | 60 |
Гексол | 1,5 | 1,5 | 1,5 |
Ацетонанил | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
Диафен ФП | 1,0 | 1,0 | 1,0 |
Антиоксидант Б-25 | 0.5 | 0,5 | 0,5 |
Таблица 13 — Прочностные характеристики резин
Шифр смеси | Предел прочности при растяжении, МПа | Относительное удлинение при разрыве, % | Остаточное удлинение, % | Твердость, ед Шор А |
В-14 | 12,0 | 160 | 6 | 77 |
Р-1 | 23,6 | 500 | 10 | 79 |
Р-2 | 21,8 | 480 | 8 | 81 |
Р-3 | 20,9 | 450 | 8 | 76 |
Таблица 14 — Степень набухания после экспозиции резин в бензине и воде в течение 168 ч
Шифр резины | Степень набухания резин, % | |
В бензине АИ-92 | В воде | |
В-14 | 12,34 | 4,96 |
Р-1 | 5,61 | 2,34 |
Р-2 | 5,06 | 2,10 |
Р-3 | 6,02 | 2,80 |
Долговечность уплотнительного элемента определяли по формуле, разрешенной относительно времени.
Для условий старения резин в уплотнениях кр приняли равным 0,8.
Результаты расчетов представлены в таблице 15. Наиболее высокие значения долговечности получены для резины с шифром Р-2.
Таблица 15 — Расчетные коэффициенты и сроки службы резин (при кр = 0,8)
Шифр резины | Е0, Дж/(моль·град) | А0, 1/с | Температура, оС | Ai, с–1 | кр, годы |
В-14 | 7620,5 | 0,845 | 20 | 0,0372 | 6,0 |
70 | 0,0587 | 3,8 | |||
Р-1 | 7202,7 | 1,519 | 20 | 0,0279 | 8,0 |
70 | 0,0429 | 5,2 | |||
Р-2 | 7520,2 | 0,551 | 20 | 0,0248 | 9,0 |
70 | 0,0372 | 6,0 | |||
Р-3 | 7453,4 | 0,632 | 20 | 0,0297 | 7,5 |
70 | 0,0464 | 4,8 |
Задача дополнительного повышения срока работы уплотнений решена применением в составе резины волокнистых наполнителей.
Благодаря усилению эластомера волокнами удалось сочетать эластические свойства эластомеров с упругостью и высокой прочностью волокна. В качестве армирующих волокон нами выбраны полиамидные. Данный выбор был предопределен также доступностью материала. Применение волокон позволяет также добиться значительного повышения сроков службы изделий в узлах трения, характерного для уплотнений ПК и ПП.
Режим вулканизации образцов был определен с помощью специальных исследований (метод Дэвиса).
Проведены испытания полученных образцов резин в парах трения резина–сталь и резина–окрашенная сталь методом истирания резиновых колец по стальным неокрашенным и окрашенным дискам.
Износ деталей пар трения оценивали по потере массы и объема образцов резины и контртела (стали 45) на машине МТ-21 конструкции Г. В. Конесева, схема которой приведена на рисунке 8.
Экспериментальные данные для резин В-14 и Р-2 с различной степенью наполнения сведены в таблицу 16.
Видно, что в парах трения с резиной Р-2 в данных условиях эксперимента износ протекает медленнее, чем в случае использования резины В-14. Лучшие результаты по износостойкости достигнуты для резин, армированных полиамидным волокном в количестве 2,5 % мас.
Рисунок 8 — Кинематическая схема машины МТ-21:
1 — контр-образец «кольцо»; 2 — образец «стержень»; 3 — держатель образца;
4 — измеритель силы трения; 5 — механизм нагружения; 6 — пульт управления;
7 — электродвигатель; 8, 10 — клиноременная передача; 9 — чаша
Таким образом, задача по разработке резин для уплотнительных элементов понтонов и плавающих крыш решена корректировкой рецептур резиновых смесей, в т. ч. армированием волокнистыми наполнителями и введением специальных добавок. Достигнуто повышение стойкости к истиранию в парах трения со сталью — на 55 %, с ЛКП — на 63 % (по сравнению с базовым вариантом).
Таблица 16 — Скорость износа образцов в парах трения, г/(м2 · ч)
Марка резины | Резина–сталь (Ст3) | Резина–ЛКП (КР-2Д) на стали | ||
Резина | Сталь | Резина | ЛКП | |
В-14 (без наполнения) | 11,83 | 5,33 | 10,03 | 12,5 |
В-14 (1 % волокна) | 9,82 | 5,17 | 8,05 | 9,66 |
В-14 (2,5% волокна) | 7,02 | 4,55 | 6,44 | 7,68 |
В-14 (5% волокна) | 8,37 | 4,88 | 7,28 | 8,02 |
Р-2 (без наполнения) | 7,97 | 4,46 | 6,93 | 7,36 |
Р-2 (1 % волокна) | 5,37 | 3,52 | 5,09 | 5,98 |
Р-2 (2,5% волокна) | 5,15 | 3,17 | 4,65 | 5,22 |
Р-2 (5% волокна) | 5,81 | 3,71 | 4,89 | 5,37 |
Для обеспечения защиты внутренней поверхности стенок от коррозионного воздействия среды и истирания в паре с уплотнительными элементами ПК и ПП разработана эпоксидная композиция, содержащая в качестве наполнителя слоистые твердые материалы, обладающие вследствие своей кристаллической структуры низким коэффициентом трения: графит и дисульфид молибдена. Рекомендуемое Л. Н. Сентюрихиной и Е. М. Опариной соотношение графита и дисульфида молибдена — 4 : 1. В работе использовали графит марки ГЛС-1 дисперсностью 25–30 мкм и дисульфид молибдена марки ДМИ-7 дисперсностью 2–25 мкм (таблица 17).
На основании данных, полученных в главе, определился компонентный состав модифицированной лакокрасочной композиции для защиты от коррозионно-эрозионного износа внутренней поверхности обечаек резервуаров РВСП и РВСПК, мас. ч.:
ЭД-20 (ГОСТ 10587–84) | 14–20 |
Оксилин-5 (ТУ 6-02-1376–87) | 80–86 |
АФ-2 (ТУ 6-05-1663–79) | 24–28 |
Аэросил марки А-175 (ГОСТ 14922–77) | 5–10 |
Ацетон (ГОСТ 2768–84) | 10–20 |
Смесь графита марки ГЛС-1 (ГОСТ 5420–74) и дисульфида молибдена марки ДМИ = 7 (ТУ 48-19 = 133–90) в соотношении 4 : 1 | 50–60 |
Расчетная долговечность двухслойного покрытия толщиной 120 мкм в условиях коррозионно-эрозионного износа при трении о резину Р-2 составляет 9 лет.
Таблица 17 — Свойства износостойких покрытий
Свойство | Толщина покрытий | |||
30 | 40 | 120 | 180 | |
Предел прочности лакокрасочной пленки при растяжении, МПа | 19,2 | 18,5 | 16,0 | 10,5 |
Относительное удлинение лакокрасочной пленки при разрыве, % | 40,2 | 42,0 | 30,8 | 32,0 |
Интенсивность износа при трении с резиной Р-2А, г/(м2 · ч) | 0,98 | 0,92 | 0,87 | 0,82 |
Водопоглощаемость покрытия, %, после экспозиции: при 20 оС при 60 оС | 1,78 3,42 | 1,66 3,24 | 1,88 3,61 | 1,62 3,18 |
Приращение массы после экспозиции в бензине АИ-95 при 20 оС, % | 1,22 | 1,30 | 1,12 | 1,38 |
Долговечность из условия износа покрытия на 70 %, годы | 2,7 | 3,8 | 12,5 | 13,3 |