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

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

Таблица 13 — Прочностные характеристики резин

Таблица 14 — Степень набухания после экспозиции резин в бензине и воде в течение 168 ч

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)

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)

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.:

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