Резины для нефтедобывающих электропогружных установок (ЭПУ)

с температурой эксплуатации  180-230 ºС

 

                                                                                к.т.н. А.А. Соколовский,

                                                                                         к.т.н. Б.И. Ревякин

   «Лаборатория разработки и исследования резин и  РТИ»

       ООО «МАЯК-РТИ»

 

Мы прекрасно понимаем, что создание «идеальной» резины с термостойкостью до 300 ºС практически невозможно, но получение резин на основе нитрильных каучуков, работающих при температуре до 220-230 ºС, достаточно реально.

В связи с изменениями условий нефтедобычи и резким повышением рабочей температуры электродвигателей в погружных электронасосах со 130-160ºС до 180-230ºС привело к невозможности использования в них резиновых технических деталей (РТД) из серийных резин на основе бутадиен- нитрильных каучуков (СКН), таких как  В- 14, ИРП-3826, 51-1683, РС- 26ч, «С»- 26ч, С- 26 и т.д.

На практике, при высоких температурах эксплуатации в технике используют резины на основе силиконовых (СКТ, СКТВ, СКТФВ, СКТЭ), фторсилоксановых (СКТФТ-50, СКТФТ-100), и фторуглеродных (СКФ-26, «Вайтон», «Афлас» и т.п.) каучуков, несмотря на их высокую стоимость (10-30 раз дороже резин на основе СКН).

Однако известно, что резины на основе силиконовых и  фторсилоксановых каучуков быстро разрушаются при работе в «закрытых» посадочных местах, то есть без воздухообмена вблизи их поверхности.

Нами проведены испытания резин на основе фторсилоксана СКТФТ-100 в масле МДПМ-С при температуре  +200ºС  в течение 24 часов. После испытаний резины стали подобными пластилину. При этом набухания в масле не произошло.

Применение в ЭПУ резин на основе фторуглеродных каучуков (обычно их называют фторкаучуками) также связано с определенными опасностями. Дело в том, что резины на их основе обладают низкой температуростойкостъю, то  есть, их физико-механические свойства - прочность и разрывное удлинение – в 5-10 раз уменьшаются при

температурах выше 150ºС. Особенно это опасно при использовании этих резин в диафрагмах гидрозащиты, которые в процессе работы испытывают деформации растяжения при избытке давления внутри диафрагм и сжимаются, образуя в случайных

местах складки сложной конфигурации при избыточном внешнем воздействии на диафрагму или разрежении внутри ее.

 

                                                                       - 2 -

В качестве примера приведем следующие данные: при перегибе резиновой пластины толщиной 2 мм.  на 180 град. растяжение внешней поверхности резины достигает 120-150%. Если при 20ºС разрывное удлинение резин на основе фторкаучуков

(С-ВА, СБ-26, резины типа АФЛАС) колеблется в пределах 120-300%, то при температуре выше 150ºС оно не превышает 50% и образование микротрещин  на перегибах диафрагм неизбежно. После этого время работоспособности диафрагм определяется скоростью увеличения микротрещин до полного разрушения диафрагм. Аналогичные явления вероятны в уплотнительных кольцах из резин на основе фторкаучуков.

 Кроме того резины на основе СКФ- 26 не морозостойки, а резины на основе «Афласа» и ряда каучуков фирмы «Дюпон», обладая немного лучшей по сравнению с  СКФ- 26 морозостойкостью, в 5-20 раз дороже СКФ- 26.         

В то же время нами были проведены работы в области физикохимии каучуков  и резин, в результате которых было определено следующее:

- существуют оптимальные деформации резин, при которых их термостойкость и морозостойкость повышаются на несколько десятков градусов.  Это явление связано  с разрушением при определенных деформациях значительной доли физических межмолекулярных связей в резинах, ограничивающих «молекулярную подвижность» цепей каучуков. Ограничения «молекулярной подвижности» при понижении температуры приводит к быстрой потере морозостойкости. При высоких температурах тепло как бы аккумулируется в областях резины с ограниченной «молекулярной подвижностью», приводя к ускоренному протеканию термохимических реакций, в результате которых резина теряет эластические, то есть рабочие свойства.

При увеличении «молекулярной подвижности» подводимое тепло рассеивается благодаря колебательным, вращательным и поступательным колебаниям мономерных звеньев и отрезков каучуковых цепей, в результате чего термостойкость увеличивается.

            Так экспериментально показано, что в ненаполненных резинах на основе бутадиен- нитрильных каучуков при оптимальных деформациях температура начала термохимических реакций повышается с 130-150ºС до 300-310ºС в случае повышения в них «молекулярной подвижности».

При изучении влияния наполнителей на термостойкость резин на основе бутадиеновых, бутадиен- нитрильных и фторкаучуков нами установлено , что в

наполненных техуглеродами (сажами) резинах полимерные цепи начинают сшиваться при 150ºС и циклизоваться при 170-180ºС, достигая максимальной скорости процесса при 200-220ºС.

                                                           - 3 -

При наполнении этих резин белыми наполнителями  на основе тонкодисперсной двуокиси кремния структурирование каучуков выражено очень слабо, а начало термоциклизации сдвигается к температуре 300 ºС и протекает в значительно меньшей степени, достигая максимальной скорости при 330 ºС.

Термоструктурирование и термоциклизация  полимерных цепей приводят к потере резинами эластичности, то есть работоспособности.

            На  основании этих, а также ряда других экспериментальных результатов, нами была поставлена задача разработать рецептурно-технологические приемы для создания резин на основе бутадиен-нитрильного каучука СКН-26 и фторуглеродного каучука СКФ-26, удовлетворяющих современным требованиям нефтедобывающей отрасли:

- высокая температуростойкость (прочность и удлинение при разрыве при температурах выше 150ºС не должны уменьшаться более, чем на 20-40% и сохранять при этих условиях соответственно 80-90 кгс/см..кв. и 180-250%);

- длительное сохранение прочностных и эластических свойств при действии синтетических масел, пластовой жидкости (нефти), рабочей температуры двигателя 180-230ºС, давления среды 200 атм. и выше, динамических деформаций растяжения;

- повышенная эластичность при комнатных температурах (разрывное удлинение не ниже 300%;

- сохранение эластичности при температурах  -40 ºС (так как, к сожалению, ремонтно-монтажные работы с ЭПУ на скважинах, связанные в том числе с заменой и монтажом РТИ, в зимнее время проводятся в большинстве случаев на открытом воздухе);

- длительное сохранение контактных напряжений резиновыми уплотнителями, обеспечивающими герметичность узлов в условиях работы ЭПУ;

- низкое – не более 10% - набухание резин в маслах и пластовой жидкости, так при больших степенях набуханиях у резин значительно снижается прочность, что опасно для диафрагм, значительно увеличивается объем, вызывая рост напряжений в резиновых уплотнителях в посадочных местах, что может привести к разрушению уплотнителей.

             Мы полагали, что уменьшив количество физических связей, создав в резинах при вулканизации оптимальную сетку химических связей, подавив в резинах с помощью наполнителей на основе двуокиси кремния и ряда других приемов протекание термохимических реакций, поставленная задача может быть решена.

                        Путем новых технологических и рецептурных приемов были созданы новые марки резин: «С»-М-3 на основе бутадиен-нитрильного каучука СКН-26 и «С»-ФД на основе фторкаучука СКФ-26.

 

- 4 –

                                                                                                                      Таблица №1

                     

Физико-механические показатели резин

Марка резины

 базовый каучук

«С»-М-3

СКН-26

«С»-ФД

СКФ-26

«С»-М-3

СКН-26

«С»-ФД

СКФ-26

 

Эксплуатационная

 среда

Исходные на

воздухе

 

После старения в синтетических маслах

 МДПН-С, МАС-ПЭД, REDA-3/5 при Т 200-230 С 24 часа

Температурный диапазон работоспособности, С

 

-35- + 180

 

-40-+ 180

 

-35 + 230

 

-40 + 230

Прочность при разрыве, кгс/см..кв., не менее

 

90

 

100

 

60

 

100

Удлинение при разрыве, % , не менее

 

400

 

400

 

250

 

350

Набухание, % вес.

-

4-7

0-2

Замена

СБ-26 (фторкаучук СКФ-26), ТЭР-10 (Тэрбан, гидрированый нитрильный каучук) и сополимеры типа АФЛАС

применение

уплотнительные кольца, диафрагмы, манжеты и сильфоны.

Диафрагмы

 и

 сильфоны.

уплотнительные кольца, диафрагмы, манжеты и сильфоны.

диафрагмы

и

сильфоны.

 

               Из результатов, приведенных в таблице №1 следует, что резины , созданные в лаборатории ООО «МАЯК-РТИ», обладают свойствами, не имеющими аналогов в мировой практике. Резины «С»-М-3 и «С»-ФД:

- не содержат сажевых (углеродных) наполнителей, что значительно повышает ее термостойкость до 200-230 ºС и увеличивает продолжительность «жизни», то есть повышается ее работоспособность;

- не содержат пластификаторов, что обеспечивает сохранение объема и массы РТИ, изготовленных из резин «С»-М-3 и «С»-ФД , работающих при повышенных температурах и давлении. Резины, такие как ИРП-3826, РС-26ч, «С»-26Ч, Н-410 и другие, содержат в своем составе (до 30 массовых частей) пластификаторы, за счет чего обладают высокой эластичностью и морозостойкостью, но при эксплуатации РТИ из них при повышенных температурах и давлении пластификаторы «вымываются» из резины, что приводит к потере эластичности РТИ, уменьшению объема и в результате к охрупчиванию и потере уплотняющего действия.

 

- 5 -

- имеют высокое разрывное удлинение (500%), что является косвенным показателем, обеспечивающим невозможность их разрушения под действием кессонного эффекта;

- имеют высокую температуростойкость, что обеспечивает сохранение прочности РТИ, работающих в режиме динамических нагрузок при повышенных температурах.

            Все свойства резин, разработанных специалистами ООО «МАЯК-РТИ»,  приведении в ТУ 2512.003.М-РТИ 02-004-06 на «Резины серии «С» для резинотехнических изделий, используемых в оборудовании нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности».

 

Адрес: ООО «МАЯК-РТИ», 125130, г.Москва, ул.Клары Цеткин, д.33

 

Тел./факс (495)739-0504, 601-96-64

e-mail: mayakrti@mayak-rti.ru

www.mayak-rti.ru