Разработка долговечных нефте- и водостойких резиновых уплотнителей для раструбных и муфтовых соединений магистральных трубопроводов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.06, кандидат технических наук Синичкина, Светлана Геннадиевна

• Синичкина, Светлана Геннадиевна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Синичкина, Светлана Геннадиевна

Введение

Глава 1 Литературный обзор

1.1. Введение

1.2. Требования к герметичности, условия эксплуатации и классификация уплотнений

1.3. Краткая характеристика нефтепродуктов и их влияние на свойства резин.

1.4. Водостойкость резин.

1.5. Стойкость резин в газообразных средах.

1.6. Старение резин и методы ускоренного определения гарантийных сроков.

1.7. Выводы по литературному обзору.

Глава 2. Аппаратура и методы исследования.

2.1. Исследования стойкости резиновых смесей в специальном автоклаве.

2.2. Освоение международных стандартов ИСО. 57 2.3 Аппаратурное оформление и методика испытания уплотнительных манжет для раструбного соединения чугунных труб на реальных узлах. 62 2.4. Аппаратурное оформление и методика испытаний уплотнительных колец для муфтового соединения асбестоцементных труб на реальных узлах.

Глава 3. Разработка рецептуры резиновых смесей для производства "двухрецептурных" манжет трубопроводов нефти и нефтепродуктов.

3.1. Разработка рецептуры резиновой смеси, стойкой к углеводородным средам

3.2. Исследование изменения физико-механических показателей резин, рекомендуемых для эксплуатации в нефти, насыщенной нефтегазовыми агрессивными смесями.

3.3. Обсуждение результатов.

Глава 4 Разработка рецептуры резиновых смесей, для изготовления "двухрецептурных" манжет, применяемых для работы в контакте с холодной и горячей водой.

4.1 Разработка рецептуры

4.2 Исследование изменения физико-механических показателей резин, рекомендуемых для эксплуатации в контакте с горячей водой. 81 4.3. Обсуждение результатов.

Глава 5 Разработка рецептуры резиновых смесей уплотнительных колец САМ муфтового соединения асбестоцементных труб.

5.1. Разработка рецептуры.

5.2. Исследование изменения физико-механических показателей резиновых смесей разработанных для работы в контакте с горячей водой.

5.3. Обсуждение результатов.

Глава 6. Установление срока сохраняемости уплотнительных свойств резин и подтверждение прогнозируемого срока их эксплуатации в среде 97 нефти, горячей и холодной воды.

Глава 7 Технологическая часть

7.1. О технологии изготовления "двухрецептурной" манжеты

7.2. Испытания уплотнительных манжет для раструбного соединения чугунных труб

7.3. Испытания уплотнительных колец для муфтового соединения асбестоцементных труб.

7.4. Усовершенствование конструкции уплотнительного кольца САМ

Глава 8. Санитарно-эпидемиологическая оценка безопасности резиновых уплотнений для водопроводных сооружений 125 Выводы 131 Литература 134 Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка долговечных нефте- и водостойких резиновых уплотнителей для раструбных и муфтовых соединений магистральных трубопроводов»

Развитие современного машиностроения и транспортных средств требует создания и постоянного совершенствования уплотнительных устройств на основе эластомерных материалов, обеспечивающих герметизацию подвижных и неподвижных соединений деталей машин и аппаратов.

Для развития топливно-энергетического комплекса, составляющего основу экономики Российской Федерации, важнейшей народнохозяйственной проблемой является быстрое сооружение и надежная эксплуатация трубопроводных магистралей, обеспечивающих доставку нефти, газа и других энергоресурсов из сырьевых районов Сибири и Крайнего Севера в промышленные районы Европейской части России. Постоянно возрастают также экспортные поставки энергоресурсов в страны ближнего и дальнего зарубежья. Они составляют основную часть доходов бюджета России.

В трубопроводах, транспортирующих газ, нефть и продукты их переработки до недавнего времени находили применение исключительно стальные трубы, соединение которых осуществлялось посредством сварки.

В настоящее время все более широкое применение в трубопроводном транспорте находят магистрали из стыкуемых чугунных труб.

Применение стыкуемых труб из высокопрочного чугуна является предпочтительным, так как они сочетают долговечность, легкость монтажа, отсутствие коррозии, высокую ударную прочность, пластичность, хладостойкость до -60°С, высокую экономическую эффективность коммуникаций за счет низких затрат на прокладку и эксплуатацию трубопроводов. Раструбные трубопроводы из высокопрочного чугуна, в отличие от стальных труб, которые соединяются с помощью сварки, имеют максимально возможный ресурс (80-100 лет).

Наряду с проблемой транспортировки жидких и газообразных энергоносителей не менее актуальным является проблема тепловодоснабжения населения, городов, жилых комплексов и промышленных предприятий. Для транспортирования питьевой и технической воды, канализационных стоков, горячей и перегретой воды и пара, наряду с применением стальных и чугунных труб, все более широкое применение в нашей стране получают асбестоцементные трубы. Масштабы использования асбестоцементных труб настолько велики, что без них невозможно представить современное коммунальное хозяйство. Россия, к тому же, располагает самыми крупными запасами хризотилл-асбеста и мощностями по его переработке.

Поэтому проблема создания надежных и долговечных уплотнений для муфтовых соединений асбестоцементных труб приобретает в наше время особую актуальность в связи с повышением к ним требованиям, так как качество стандартных резиновых уплотнителей, разработанных ранее, во многих случаях этим требованиям не отвечает.

Резиновые уплотнители трубопроводов в настоящее время становятся важнейшими элементами трубопроводного транспорта, обеспечивающего жизненные интересы населения и государства. Возможные отказы резиновых уплотнений в этих условиях наносят государству и окружающей среде большой материальный и экологический ущерб.

Разработка резин для изготовления уплотнителей стыков трубопроводов представляется достаточно сложной научно-технической задачей. С одной стороны, в случае углеводородов, требуются специальные резины, обеспечивающие стойкость к нефтепродуктам с высоким содержанием активных соединений серы и других агрессивных компонентов. При этом для условий районов Крайнего Севера и Якутии физическая и химическая стойкость к нефтепродуктам должна сочетаться с обеспечением морозостойкости резин.

С другой стороны, помимо решения материаловедческих задач, возникают серьезные конструкторско-технологические проблемы, связанные с необходимостью разработки специальных для раструбных соединений «двухрецептурных» конструкций резиновых уплотнителей. Такие уплотнители должны состоять из более жесткого элемента, обеспечивающего монтаж и удержание уплотнителя в замке стыка и собственно уплотнительного элемента из более мягкой, но стойкой к среде резины.

До постановки нашего исследования "двухрецептурные" манжеты специальных конструкций для раструбных соединений чугунных труб, стойкие к серосодержащим нефтепродуктам, в России не производились.

Для муфтовых соединений асбестоцементных труб конструкцию и материал манжет также необходимо усовершенствовать.

До настоящего времени в стыках этих трубопроводов применялись резиновые уплотнители низкого качества, уступающие по уровню основных эксплуатационных свойств требованиям международных стандартов.

В связи с изложенным, целью данной работы является изыскание, разработка и исследование резин для раструбных и муфтовых стыков трубопроводов, а также разработка технологии изготовления «двухрецептурных» уплотнительных манжет, применительно к конструкциям в современных системах трубопроводов.

В результате выполненной работы были созданы уплотнительные манжеты и технология их изготовления для применения в нефтепроводах и в системах тепловодоснабжения с требуемыми длительными сроками эксплуатационной устойчивости. Это дало возможность обеспечить комплектацию вновь сооружаемых трубопроводов высококачественными резиновыми уплотнителями.

Заключение диссертации по теме «Технология и переработка полимеров и композитов», Синичкина, Светлана Геннадиевна

выводы.

1. Проведено комплексное исследование, направленное на разработку новой серии рецептур резин, конструкции и технологии изготовления эластомерных уплотнителей для герметизации раструбных и муфтовых соединений магистральных трубопроводов, обеспечивающих длительную и надежную сохраняемость их эксплуатационных свойств.

1. Разработаны и прошли промышленную апробацию следующие новые рецептуры резин для изготовления уплотнителей, в том числе отвечающие требованиям международных стандартов:

1.1. Резина 8-Ю/С-1 на основе гидрированного бутадиен-нитрильного каучука, стойкая к нефтям с повышенным содержанием серосодержащих компонентов.

1.2. Резина 8-Ю/С-2 с повышенной морозостойкостью для уплотнителей тех же продуктов, работоспособная в условиях Крайнего Севера. Повышенная морозостойкость этой резины достигнута за счет совмещения в рецептуре гидрированного бутадиен-нитрильного каучука с нитрильным каучуком БНКС-18.

1.3. Резины 8-Ю/С-З и 8JI-59 различной твердости на основе этилен-пропиленового каучука стойкие к горячей, холодной и перегретой воде.

2. Разработаны новая аппаратура и методики определения стойкости к агрессивным средам эластомерных материалов для уплотнителей. Сконструированы имитаторы раструбных и муфтовых соединений трубопроводов, позволяющие проводить оценку качества резин и готовых уплотнителей в условиях, приближенных или форсированных по отношению к условиям реальной эксплуатации.

3. Освоены методы испытаний и исследований стойкости уплотнительных резин в воздухе и агрессивных средах, соответствующие стандартам ИСО. Впервые в отечественной практике воспроизведены некоторые методы испытаний резин по ИСО, требования которых пока не гармонизированы с нормируемыми методами в отечественных стандартах. К их числу относится, использованный в работе, метод определения релаксации напряжений по ИСО 3384.

4. С использованием разработанной аппаратуры и ускоренных методов проведены исследования стойкости разработанных резиновых уплотнителей для транспортирования нефти с повышенным содержанием серы и ее производных и для транспортирования горячей воды при высоких температурах. На основании результатов этих исследований показана способность уплотнителей обеспечивать герметизацию стыков магистральных трубопроводов с прогнозируемым сроком эксплуатации от 25 до 50 лет в зависимости от условий применения.

5. Проведены санитарно-гигиенические и химические исследования резины 8-Ю/С-З для V-образного элемента "двухрецептурных" манжет, на соответствие требованиям к резинам, работающим при контакте с горячей и холодной водой. Получен санитарно-гигиенический сертификат № 77.99.17253 Д 006805.09.03 от 16.09.2003, согласованный с Минздравом РФ на применение этой резины в теплотрассах.

6. Разработана технология изготовления "двухрецептурных" манжет сложного профиля, работающих в раструбных соединениях чугунных труб, путем двухстадийной совулканизации двух резин в пресс-форме со сменными верхними плитами

7. Разработана усовершенствованная конструкция резинового уплотнителя муфтового соединения асбестоцементных труб путем замены на кольце САМ 56 отверстий на фронтальной поверхности кольца на один углубленный паз. Такая новая конструкция обеспечивает существенное упрощение технологии изготовления уплотнителей, их легкую монтируемость и надежную герметизацию узла за счет эффекта "самоуплотнения".

8. Разработанные в диссертации резиновые уплотнители прошли комплекс испытаний в стыковочных узлах трубопроводов на базе предприятий-потребителей и рекомендованы к эксплуатации. Имеются положительные отзывы от потребителей.

9. Разработана нормативная и техническая документация на изготовление "двухрецептурных" манжет, по которой на ЗАО "Тульский завод РТИ" производится их серийный выпуск.

Автор выражает глубокую признательность заместителю генерального директора по научной работе ООО "НИИЭМИ" д.т.н. Юровскому В. С. за ценные советы, а также помощь в проведении работ и обсуждении результатов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Синичкина, Светлана Геннадиевна, 2007 год

1. Тагер А.А. Физико-химия полимеров. М. « Химия», 1967.

2. Palinchak S. Mueller W.J. Rubb. Age. 1960. vol.87. N 6. p. 1020-1027.J. о

3. Roff W. J. Scott J.R. Fibres, Films, Plastics and Rubbers. A Handbook of Common Polymers. London, Butterworths, 1971. 688 p.

4. L. Gesztowtt Uszelnienia, Warczawa, 1951 r.

5. Зотов В. А Стандартизация №9,1962 г.

6. Горелик Б. М. Каучук и Резина №4,14,1966 г.

7. Polysar butyl Hahdbook. Sarnia, Canada, Polysar Limited. 1977.100 pj. of the Institute of Petroleum, 1971, No 7, p. 235-241

8. Энциклопедия полимеров M. «Советская энциклопедия 1977, т.З с. 982-983.

9. Кондаков Л.А. Уплотнения гидравлических систем М. «Машиностроение», 1972 г.

10. Панюшкина Н. М. Коморницкий-кознецов В. К., Юровский В. С., Каучук и резина" №1 1976 г. с. 50-52

11. Щерба В. П. И др. Каучук и резина, 1982, №7, с. 10-12

12. Зуев Ю.С. Разрушение полимеров под действием агрессивных сред. М. «Химия», 1972.

13. Ивченко Е.Г., Севастьянова Г.В. Сернистые и высокосернистые нефти Башкирской АССР, М., «Химия», 1972.

14. Гольдберг Э.И., Крейнс С.Е. Смазочные масла из нефтей Восточных месторождений. М. «Химия», 1972Воробьева Г. Я. Химическая стойкость полимерных материалов. М. Химия 1981 с. 296.

15. Жердева JI.Г. «Химия и технология топлив и масел», 1967, №2, с. 29-32.

16. Химическая стойкость эбонитов в агрессивных средах М. ЦНИИТЭнефтехим, 1967 с. 57-51.

17. Черножуков Н.М. Химия минеральных масел. М. Гостоптехиздат, 1959.С. 124

18. Wheelans М.А. -NR Technol., 1980, voll 1, N1. p. 11-16

19. Elliot D.j., Atawiana 0. -NR Technol., 1986, vol. 7, N4. p. 82-85

20. Beatty J.R., Studibaker M.L., Rubb. Age. 1981. vol.3. N 6. p. 102109

21. Giha P.K. Rubb. India, 195, No 7, p. 235-241

22. Hess M. E.a. Rubb. Chem. Technol. 1983, vol. 41, N 7, p. 17-26.

23. Лякин С. П. и др. Изв. Вузов. Химия и химическая технология, 1975, т.18, №11 с. 1792-1796

24. Ступишин Ю.В. Химический состав и эксплутационные свойства топлив и масел. М. Гостоптехиздат, 1957.

25. Вознесенская Е.В. «Химия и технология топлив и масел», 1967, №2, с. 35-36.

26. Гутцайт Э.И. «Химия и технология топлив и масел», 1970, №1,с. 33.

27. Химия сероорганических соединений, содержащихся в нефтях и нефтепродуктах. М., Гостоптехиздат, 1961.

28. Мальчикова Е. В. «Каучук и резина», 1968, №3, с. 31-33.

29. Носникв А. Ф, Эбич Ю. Р., производство и использование эластомеров. 1999 №1 с. 12-17

30. Blow С.М. Rubber J., 1973,155 No 7 p. 18-19.28/

31. Рождественская JI. И. «Химия и технология топлив и масел»,

32. Исследование в области строения и свойств каучуков и резин / Под ред. Б. К. Кармана. М. НИИШП, 1977.200 с.

33. Нудельман Н. 3. Каучук и резина.2003 №1 с.4

34. Hull L. К. Elastomers. 1990. V. 122 №1 р. 11-16

35. Гуль В. Е., Кулезев В. Н. Структура и механические свойства полимерв. 3-е издание М. Химия 1978 с.25

36. Г.А. Лысова, А.А. Донов Тематический обзор «Гидрированные бутадиен-нитрильные каучуки. Свойства. Рецептуростроение. Применение» М. ЦНИИТЭнефтехим. 1991.

37. Федоров Т. В., Тарасова 3. Н., Кирпичников П. А, сб. "Химия сераорганических соединений, содержащихся в нефтях и нефтепродуктах." М. Изд. Высшая школа, 1972 с. 41

38. Charesby N.K., Abdel-Bary Н. J. Khlire Y. D. Elastomers. V.171. -No. 3. P. 22-24.

39. Гольдбкрг Б. Б. И р. "Производство шин, РТИ и АТИ", 1975, №8с. 24

40. Юровский В. С. Исследование герметизирующей способности резино-металлических клапанов пневмосистем высокого давления, Диссертация, НИИРП 1967 г.

41. B.C. Юровский, Ю.А. Синичкина, Е.П. Стогова, И.М. Зорина, технический отчет «Определение остаточного срока службы уплотнительных колец раструбного соединения трубопровода ПМТП 150» ОАО "НИИЭМИ" 1999г.

42. Юровский В. С. "Каучук и Резина", №4 1990 г. с. 8-10

43. Иоссель Г. Ф. и др. Производство шин, РТИ, АТИ, 1970, №11 с.23.25.

44. Rubber J. 1968, No 9 p. 36-46

45. Farbe R.-Rev. gen. coauthc. plast., 1971, vol. 48, N 5, p. 501-505

46. Leyland B.N., Meyrick T. J. .-Rev. gen. coauthc. plast., 1976, vol. 53, N562, p. 61-63

47. Ulmer J. D., ScottC. E.,- Rubb. Chem. Technol. 1973, vol. 46, N 4, p. 897-926.

48. Rubber Chemistry and Technology, 1976, v. 5 p. 1157

49. Жердева Л.Г автореферат на соиск. уч. степ. докт. техн. н. М., ВНИИНП, 1969.

50. Рейтлингер С. А. Проницаемость полимерных материалов. М. Химия 1974 с. 16-17

51. Гойхман Ц. М., Антонов Б. Н. Каучук и резина , 1976 №8 с. 4243

52. Шорохов, Н. В., Блох В. М., Производство Шин Рти и АТИ, 1973 №9 с. 42-43

53. Кузнецова и. А., Косенкова А. С., в кн. Проблемы повышения качества резин и резино-технических изделий. Тр. НИИРП Сб. 1. М ЦНИИТЭнефтеихим, 1976, с. 22-33

54. Зефиров Ю. В, Зоркий П. М, Успехи Химии. 1995 Т. 64 №5 с. 458 Зуев Ю. С. Разрушение эластомеров в условиях, характерных для эксплуатации. М. Химия, 1980, с. 298

55. Донцов А. А. Процессы структурирования эластомеров М. Химия, 1978, с. 258

56. Галил-Оглы Ф.А., Новиков А.С., Нудельман З.Н. Фторкаучуки и резины на их основе, М. «Химия», 1966.

57. Справочник резинщика. М. «Химия» 1971.

58. Суворова Э.А. «Каучук и резина», 1970, №9, с. 1-8.

59. Миле Р.Н., Льюис Ф.М. Силиконы. М. «Химия» 1964

60. Добрушкин Д.Б., Вершкайн P.P., Чайская Л.П. «Каучук и резина», 1971№8, с. 27-29.

61. Ван Кревлен Д. В. Свойства и химическое строние полимеров пер.с англ./Под ред. А. Я. Малкина М. Химия 1976, с. 414

62. Каргин В.А., Слонимский Г.А. Краткие очерки по физико-химии полимеров. М. «Химия», 1967.

63. Подлесняк А.И., Клитеник Г.С. «Каучук и резина», 1971, №7, с. 34-36.

64. B.C. Юровский «Основные направления научно-технического прогресса в производстве формовых РТИ» ., « Каучук и резина» №4 1990г.

65. Бартенев Г. М. И др. Мех полимероов, 1973, №3 с. 30-31

66. Weir R., Blachshaw С.// European Rubber Journal, 1989.-V.171. -No. 3. P. 22-24.

67. Rubber Technology and Manufacture/Ed. by С. M. Blow. London, Butterworths, 1971.527 р.

68. Corish P.J.-Plast. A. Rubb.: Mater а/ A (81)

69. П.И. Захарченко, В.Ф. Евстратов, П.Н. Орлов «Справочник резинщика» М Химия 1971 г.

70. Стогова Е. П. и др. Каучук и резина, 1976, №9, с. 36-37

71. Рейтленгер С. А., Проницаемость полимерных материалов. М., Химия, 1974, 268 с.

72. Ван Кревелен Д. В., Свойства и химическое строение полимеров. Пер. с англ. /Под ред. А. Я. Малкина М., Химия, 1976, 414 с.

73. Кошелев Ф.Ф. Конев А.Е., Буканов А. М. «Общая технология резины» М. Химия 1968г.

74. Кузьминский А. С. , Лежнев Н. Н. , Зуев Ю. С. Окисление каучуков и резин Госхимиздат, 1957 г.

75. Лежнев Н. Н. Методы ускоренного теплового старения резин. Госхимиздат, 1957 г.

76. Кузьминский А. С., Химическая промышленность 1952 №№1,7,2,5

77. Догаткин Б. А. Химия и физика каучука. Гл 5 Госхимиздат, 1947г.

78. Кузьминский А. С., Майвельс М. Г., Лежнев Н. Н., ДАН СССР, 21,319(1950)

79. Киркенштейн Н. И., Цыбук Б. С. Труды НИИРП, сб. 4 Госхимиздат, 1957 г. с. 55.

80. Горелик Б. М., Рогова Л. В. Каучук и резина №№5,32, 1961

81. Любчанская Л. И. И др. Каучук и резина №№4,71, 1963