Изучение  стойкости  резин  на  основе  бутадиен-нитрильного  каучука  к  действию  температур  в  среде  электроизоляционных  масел  в  условиях  приближенных  к  условиям эксплуатации  диафрагм  погружных  электронасосов  (ПЭН) при  нефтедобыче.

 

Соколовский А.А, Ревякин Б.И.  Лаборатория разработки  и  исследований резин  и  РТИ  ООО «МАЯК-РТИ»

 

    При  комплектации  ПЭН  резиновыми-техническими  деталями  (РТД) наиболее  широко  применяются  резины  на основе бутадиен-нитрильного каучука  СКН-26.  В  работах (1-3)  собраны  результаты  глубокого  изучения  термостойкости (термических  превращений)  практически  всех  углеводородных -  включая  бутадиен-нитрильные – полисилоксановых,  фторуглеродных  каучуков  и  влияния на  них  вулканизации,   наполнителей, пластификаторов  и  др.  в  свободном  и  деформированном  состоянии.

При этом  было найдено, что при    идеальной   структуре  бутадиен-нитрильных  резин  их  термостойкость  достигает  300-310  С.

Опыт рецептурно-технологических  работ  авторов  позволил сделать вывод о  том ,  что  создание  «идеальной»  резины  есть  дело  далекого  будущего,  но  разработка  резины  на  основе  СКН-26,  работоспособной в  условиях  эксплуатации  ПЭН  до 200-220 ºС  достаточно  реальна (4).

     В  организованной  в  2005 г.  лаборатории  разработки  и  исследований  резин  и  РТИ  ООО  « МАЯК-РТИ»  в  2006 г.  создана  резина  «С»-М-3  на  основе  СКН-26,  предварительные  испытания  которой  подтвердили  правильность  наших  предположений  (4)   и   направлений  рецептурно-технологических  работ (5).

Для  установления  температурно-временных  пределов  работоспособности  резины «С»-М-3  в  условиях  близких  к  условиям  эксплуатации  диафрагм  в  ПЭН  проведены  ее  испытания  в  ряде  электроизоляционных  масел в  диапазоне  температур от  165+/-5 С  до  225+/-5ºС  в соответствии с (6)  в  стальных  герметически  закрытых  контейнерах  заполненных  маслами  на  примерно  90%  объема.  При  высоких  температурах  за  счет  испарения  масел  в  контейнерах  развивается  повышенное  давление,  что  до некоторой  степени  приближает  условия  испытаний  к  эксплуатационным.

       Для  сравнения  параллельным  испытаниям  подвергали  резину  «С»-М-3  и  широко  применяемую  в ПЭН  резину  «С»-26Ч (обе резины  на  основе  СКН-26  с  одинаковой  вулканизующей  системой).

       Образцы   резин  вырубали  стандартными  штанцевыми  ножами  из  диафрагм,  изготовленных  на  производствах  ООО «МАЯК-РТИ»  («С»-М-3  и  «С»-26ч).

 Все  образцы  до и  после  испытаний  взвешивали  с  точностью +-0,01 г.  и  измеряли  их  линейные  размеры  с  точностью  +-0,01 мм.  На исходных  и  прошедших  испытания  образцах  определяли  их  физико-механические  свойства  по  ГОСТ 270-75.

            Сравнительные  результаты  испытаний  резин  «С»-М-3  и  «С»-26Ч  при  температурах  165+/-5 ºС,  185+/-5 ºС,  200+/-5 ºС  и  225+/-5 ºС   в  течении  до  125  часов (5  суток)  в различных  электроизоляционных  маслах  приведены  в  таблицах  1, 2.    

            При  анализе  полученных  данных  исходили  из  результатов  работы  (7),  в  которой  найдено,  что  одним  из  основных  показателей,  обеспечивающим  работоспособность  диафрагм  в ПЭН,  является  длительность  сохранения  резинами  высокоэластичности  ( т.е. достаточно  высокого  разрывного  удлинения).  Найдено, что  критические  значения  разрывного  удлинения  нитрильных  резин,  при  которых  и  ниже  которых  резко  возрастает  вероятность  разрушения  диафрагм  при  эксплуатации,  равны  100 – 120 %.  

    При  анализе  результатов  испытаний   резины  «С»-26Ч  (Табл. 1-2)  находим,  что  она  достигает  критических  значений  эластичности:                                     
-  при  температуре  испытаний  165+/-5 ºС  -  за  75-80  часов (3 – 3,5  суток),

- при  температуре  185+/-5 ºС  -   25—35  часов (1—1,5  суток).

При  этом  ее  вес  и  размеры  уменьшаются  на  4-7 %  за  счет  вымывания  пластифакатора.

При  анализе  результатов  испытаний  резины  «С»-М-3  (Табл.1,2)  находим, что:

- при  температурах  испытаний  165+/-5 ºС  и  185+/-5 ºв течение  75 – 125  часов  (3 – 5 

суток)  эластические  свойства  резины  изменяются  незначительно;

- при  температуре  205+/-5 ºС  за  125  часов (5 суток)  разрывное  удлинение  резины  уменьшается  до  150 – 180 %, при  этом  эластичность  критических  значений  не  достигает;

- при  температуре  225+/-5 ºС   критические  значения  эластичности  резины  достигаются  за  40 -50  часов  старения  в  маслах.

При  всех  температурах  и  сроках  испытаний  изменения  веса  и  линейных  размеров  образцов  резины  «С»-М-3  не превышают  +/-1%.

      По  результатам  равновесного  термомеханического  анализа  -  РТМА  -  (Методика  в(1,2)  -  в  вакууме  при  равновесном  растяжении на  100%  найдено,  что  температуры  начала  термического  разрушения  резин  «С»-26Ч  и  «С»-М-3  равны  соответственно  160-165 ºС  и  220 – 230 ºС.

      С  целью  подтверждения  более  высоких  рабочих  характеристик  РТД  из  резины  «С»-М-3  укомплектованные  ими  ПЭН  прошли  промысловые  испытания  на  нефтяных  месторождениях  ОАО «Ставропольнефтегаз»,  Нягань,  Северное,  ЮжночеремшанскоеКатальгинское,  Первомайское,  Вахское Игольско—Таловое,  Григорьевское,  Ломовое,  РогожскоеСолкинское, ВосточноСургутскоеФедоровскоеЯунлорское,  Майский  регион.

       По  отзывам  нефтяников  в  сложных  условиях  нефтедобычи  «при  температуре  пластовой  жидкости  выше  150 С,  на  глубине  до  3000  м.,  при  высоком  газовом  факторе,  обводненности,  активном  пескопроявлении  и  наличии  химических  воздействий»  «средняя  наработка  оборудования  на  отказ  изделий   из  резиновой  смеси  «С»-М-3    350—400  суток».  При  «дефектации  резиновые  технические  изделия  в  неподвижных  соединениях  имеют  хороший  вид,  без  деформаций,  хрупкости,  отсутствует  тепловая  деградация  эластомера,  размеры  не  меняются.  Диафрагмы  и  сильфоны  гидрозащиты  без  абразивного  изнашивания,  отсутствует  химическая  деградация,  без  кольцевых  порывов  и продольных  разрушений».  «Изделия  из резиновой  смеси  «С»-М-3  обладают  стойкостью  к  сероводороду,  щелочи,  к  взрывной  декомпресии,  повышена  стойкость  к  полусинтетическим  и  синтетическим  маслам». «Учитывая,  что  за  весь  период  промысловых  испытаний  не  зафиксировано  отказов  УЭЦН  по  причине  брака  диафрагмы  гидрозащиты,  а  также наблюдается  увеличение  наработки  на  отказ  в  сравнении  с  обычным  оборудованием   диафрагмы  «С»-М-3  рекомендуются  к широкому  применению». (8).

 

                                                                                                                                    ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Из  приведенных  результатов  следует, что:

- диафрагмы  из резины  «С»-26Ч  могут обладать  длительной  работоспособностью  при  температурах  до 150 ºС  и  кратковременной  при  температурах  160 – 170 ºС;

- диафрагмы  и  РТД  из  резины  «С»-М-3  имеют  значительно повышенный  ресурс  работоспособности  при  температурах  180 – 210 С  (кратковременно  при  температурах  220-230 ºС)  и  рекомендуются  к  применению  взамен  диафрагм  и  других  РТД  из  резины  «С»-26Ч.

 

Библиографический  список.

1. Соколовский А.А., Вайнштейн Э.Ф. с сотр. «Старение  резин  в  напряженном  состоянии»,  М., ЦНИИ ТЭ нефтехим, 1988, 84 с.

2. Соколовский А.А. с сотр. «Новый метод  термомеханического  анализа  резин», «Каучук  и резина» , 1987, №8, с.23-25.

3. Зуев Ю.С., Дегтева Т.Г.»Стойкость  эластомеров  в  эксплуатационных  условиях», М., «Химия», 1986, с.42-56, 207-227 , написанные Соколовским А.А.

4. Соколовский А.А. с сотр. ЗАО «МАЯК-РТИ», « Резина – конструкционный  материал  для  нефтегазодобывающего  оборудования»,  «Химическая  техника», 2003, №3, с. 20-22.

5. Соколовский А.А.. Ревякин Б.И., ООО»Маяк—РТИ»,  «Резины  для нефтедобывающих  электропогружных  установок (ЭПУ)  с  температурой эксплуатации  180—230 С»,  2006,

http:/ www. Majak-rti @ ru\ssr. Htm

6. ГОСТ 9. 030 – 74  «Резины. Методы  испытаний на  стойкость  в  ненапряженном  состоянии  к  воздействию  жидких  агрессивных сред»

7. Соколовский А.А., Ревякин Б.И., Григорян Е.Е., ООО «Маяк—РТИ»,  НПК «Нефтемаш» ,»Резиновая  диафрагма  гидрозащиты для  погружных  электронасосов (ПЭН)», 2008, в  печати.

8. ОАО «Сургутнефтегаз»,  ООО «РН-Юганскнефтегаз», ООО «Алмаз»,  ООО «Сервисная Компания  «Борец» ,  «Выдержки  из писем  и  Актов  промышленных  испытаний  РТД  и  диафрагм  из  резины  «С»-М-3.

     

  Таблица  1. Изменение свойств резин «С»-26Ч и «С»-М-3 при старении в маслах REDA-5, МДПН-С, К-19 при температуре 165+/-5 ºС в течение 75 часов. (образцы резин – из готовых диафрагм; старение резин в маслах по методике ГОСТ – 9.030-74 )

 

Свойства

Резина «С»-26Ч

Резина «С»-М-3

Исходн.

После старения

Исходн.

После старения

Прочность при разрыве, кгс/см.кв.

121,0

250+/-10

100

90÷95

Удлинение при разрыве, %

300

110-÷130

530-÷550

490÷500

Остаточная деформация после разрыва, %

4 ÷ 6

0 ÷ 2

12 ÷ 14

12 ÷ 14

Сопротивление раздиру, кгс/см

25,7

26,3

27 ÷ 28

23 ÷ 24

Весовое набухание, %

---

-6 ÷ -7

---

1 ÷ 1,5

 

 Таблица 2.  Изменение свойств, веса и линейных размеров резин «С»-26Ч и «С»-М-3

после старения в маслах МАС-ПЭД-2, МДПН-С, REDA-5.

225 +/- 5 ºС 125 часов

225 +/- 5 ºС 75 часов

225 +/- 5 ºС 25 часов

205 +/- 5 ºС 125 часов

205 +/- 5 ºС 75 часов

205 +/- 5 ºС 25 часов

185 +/- 5 ºС 125 часов

185 +/- 5 ºС 75 часов

185 +/- 5 ºС 25 часов

Исходные

 

 

 

 

хрупкая

хрупкая

180-200

150-160

170-197

132-145

141-151

121-125

«С»-26Ч

Прочность Р,

 кгс/квм

Хрупкая

81 - 89

77 - 87

66 - 74

70 - 80

90 - 95

90 - 95

91,5 - 95

113 -116

113 -116

«С»-М-3

 

 

 

хрупкая

Не более 10

70-90

20-60

80-120

130-180

260-290

«С»-26Ч

Удлинение при разрыве L, %

Хрупкая

30 - 60

180 -220

150 -180

240 -280

390 -420

410 -435

415 -430

540 -560

650 -670

«С»-М-3

 

 

 

хрупкая

53-58

44-46

47-49

24-26

39-41

33-35

«С»-26Ч

Сопротивление раздиру R, кгс/см

Хрупкая

21 - 23

15 - 16

14 - 16

13 - 15

17 - 18

20 - 22,5

20 -22

21 - 23

36 - 37

«С»-М-3

 

 

 

хрупкая

- 7,0

- 6,0 –

- 6,3

- 7,15 –

7,40

 

- 5,20 –

- 5,41    

- 3,85 – - 4,35

---

«С»-26Ч

Набухание, вес.%

Хрупкая

- 1,75 –

- 2,02

- 1,45 –

- 1,71

- 1,0 –

- 1,14

- 1,17 –

- 1,53

 

- 0,8 –

- 0,9

-0,15 –

+0,35

-0,25 –

-1,15

+0,6 –

+ 2,2

---

«С»-М-3

 

 

 

 

хрупкая

- 4,0 –

- 4,30

- 4,15 –

 - 4,90

 

-3,80 – 4,35

 

- 2,72 – 3,95

---

«С»-26Ч

Изменение толщины, %

Хрупкая

+ 0,52 –

+ 0,90

+ 0,51 –

+ 0,8

- 0,07 –

- 0,55

0 –

- 1,12

0 –

- 0,26

- 1.25 –

+2,55

+ 0,2 –

+ 1,8

+1,3 –

+ 1,8

---

«С»-М-3

 

 

 

 

хрупкая

- 3,80 –

- 4,52

- 3,55 –

- 4,30

- 2,60 –

-3,15

- 1,60 –

-2,68

---

«С»-26Ч

Изменение длины, %

Хрупкая

- 2,24 –

- 2,89

+ 0,10 –

- 0,15

- 0,51 –

- 0,89

- 0,60 –

- 1,10

+ 0,10 –

- 1,10

+ 0,25 –

+ 0,30

+ 0,20 –

+ 0,25

0 - + 0,65

---

«С»-М-3