Резиновая диафрагма гидрозащиты

для погружных электронасосов (ПЭН).

 

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

                                                                                                                                                                                                                                 к.т.н. Б.И. Ревякин

«Лаборатория разработки и исследования резин и  РТИ» ООО «МАЯК-РТИ»

 

«Разделяя две агрессивные жидкости – диэлектрическое масло внутри двигателя и пластовую гладкость – диафрагма - наиболее уязвимый элемент конструкции погружного  электронасоса и требует пристального внимания на всех этапах от изготовления до монтажа в скважину» [Ш.Р.Агеев, Е.Е. Григорян, Г.П. Макиенко «Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение», «Энциклопедический справочник», Пермь – 2007].

 

В течение многолетнего сотрудничества с заводами-производителями нефтедобывающего оборудования и сервисными компаниями нами собраны и проанализированы:

- информация об условиях эксплуатации диафрагм в процессе нефтедобычи;

- изменения внешнего вида, характер разрушения, изменения свойств диафрагм, изготовленных различными фирмами из различных резин после различных сроков и условий эксплуатации;

- результаты собственных экспериментов по деформационному поведению резиновых диафрагм различных конструкций при перепадах давления;

- результаты собственных экспериментов по старению резин в условиях, имитирующих в какой-то степени условия эксплуатации диафрагм в контакте с маслами под давлением, на воздухе и в инертной среде (в вакууме).

Полученные результаты позволяют сформулировать:

- условия эксплуатации диафрагм;

- деформационное поведение диафрагм при эксплуатации;

- требования к свойствам резин, используемых для изготовления диафрагм;

- подходы к методам испытаний резин для диафрагм.

 

I.             Условия эксплуатации диафрагм:

 

На диафрагмы действуют с одной стороны диэлектрические масла – МДПН, МДПН-С, МАС ПЭД-2, Mobil, Shell, REDA - и с наружной поверхности пластовая жидкость.

   Химический состав масел не сообщается, поэтому определить какие из компонентов масел определяют набухание, а какие оказывают химическое воздействие на структуру резин на основе каучуков различной химической природы  невозможно. Поэтому определение стойкости резин к маслам возможно только экспериментальным путем.      

    Пластовая жидкость содержит 98-50 % воды и 2-50 % углеродов нефти, состав которых существенно зависит от месторождений. Пластовая жидкость насыщена газом:

1 т пластовой жидкости может содержать до 500 м3 газа – в основном двуокиси углерода (CO2) и 10 – 1200 г сероводорода (H2S). При повышенных температурах сероводород активно ускоряет «старение» углеводородных резин (на основе нитрильных каучуков).

    Диафрагмы находятся под гидростатическим воздействием масла и пластовой жидкости 250– 350 кгс/см2  при разности внутреннего и внешнего давлений +/- 1 – 6 кгс/см2 при нормальной работе ПЭН.

    Наиболее жесткие условия эксплуатации диафрагм возникают при увеличивающемся газосодержании в пластовой жидкости. Возникающие при этом срывы потока пластовой жидкости вплоть до прекращения ее подачи из-за образования газовой пробки приводят к нестабильности работы электродвигателя. В результате диафрагма испытывает неизвестные по величине и частоте перепады давления при неизвестном росте температуры. При образовании газовой пробки внешнее давление на диафрагму может в 1,5 – 2 раза превышать гидростатическое давление.

   Принято, что в зависимости от глубины скважин температура пластовой жидкости равна 95, 125 и 150 0C. Разогрев масла и пластовой жидкости при работе электродвигателя в ПЭН требуют применения резин с теплостойкостью более  высокой, чем температура пластовой жидкости. Анализ свойств применяемых в диафрагмах резин и технических требований нефтяников к диафрагмам позволили определить температурные диапазоны  эксплуатации диафрагм в зависимости от температуры пластовой жидкости:

 

  Температура пластовой жидкости, °С

Температура эксплуатации диафрагм, °С

95+/-10

105 – 140

125  +/- 10

135 – 180

150 +/- 10

160 – 240

 

II.          Деформационное поведение диафрагм.

 

Анализ формы диафрагм после эксплуатации, а также эксперименты на специально созданной  установке позволяют описать деформационное поведение диафрагм при перепадах давления:

- При избыточном давлении масла внутри диафрагмы (1 – 6 атм.) цилиндрическая  часть диафрагмы растягивается  в радиальном направлении до 10%; вблизи горловины диафрагма растягивается в основном в осевом направлении на 50 – 70%.

- При равномерном по длине диафрагмы избыточном давлении 1-6 атм. пластовой жидкости диафрагма складывается до плоского состояния.

При избыточном давлении пластовой жидкости Ризб = 1 атм. диаметр складки диафрагмы составляет D = 16-22 мм; при Ризб =  6 атм. диаметр складки D=6-10 мм; при  Ризб = 15-30 атм. и более D= 4 - 6 мм. (т.е. диаметр складки D равен практически удвоенной толщине стенки диафрагмы). При этом степень растяжения наружного слоя резины увеличивается с 30-50% до 120-150%. С ростом сжатия диафрагмы внутренний слой резины на складке испытывает увеличивающиеся напряжения как сжатия, так и растяжения, оценить величины которых не удается.

- При неравномерном распределении избыточного давления по поверхности диафрагмы она складывается в 2-х – 3-х разных плоскостях случайным образом.

В областях переходов из одной плоскости складывания в другую резина испытывает 2-х – 3-х - осные деформации. Вероятность разрушения резины в этом случае значительно возрастает.

            С ростом сжатия диафрагмы внутренний слой резины на складках испытывает очень большие напряжения как сжатия, так и растяжения, оценить которые не удается. Большие величины этих напряжений могут приводить к разрушению диафрагмы со стороны внутренней поверхности.

 

III.       Требования к свойствам резин, используемых для производства диафрагм.

 

   Обычно требования нефтяников к резинам диафрагм формулируются следующим образом:

- морозостойкость до -40 – 45 0C;

- температура эксплуатации в разных вариантах от +1200 до +220 0C;

- набухание в масле (без указания марки или с перечислением 3-х – 5-ти марок масел) – не более 10%;

- давление 250 – 350 атм.;

- содержание газа общего и сероводорода (H2S);

- содержание твердых частиц;

- иногда вводится пункт – стойкость к «кессонному эффекту».

 

1. Требование морозостойкости резин для диафрагм обуславливается тем, что ремонт и сборка ПЭН с заменой и установкой в них резиновый деталей, в том числе диафрагм, в зимних условиях происходит в не отапливаемых помещениях или прямо на воздухе.

 

2. Резины должны обладать стойкостью к набуханию в маслах, воде и нефтяных углеводородах при температурах эксплуатации и давлении. Суммарное набухание резин в этих средах не должны превышать 10% весовых (или 10% объемных). При больших степенях набухания могут недопустимо увеличиваться размеры диафрагм и уменьшаться прочностные и эластические свойства резин.

 

3. Требование к стойкости резин к «кессонному эффекту» нуждается в пояснении.          При более или менее  постоянном гидростатическом давлении 250 – 360 атм. колебания давления на величину +/- 1-6 атм. вызвать разрушения резины из-за «кессонного эффекта» не могут - известно, что «кессонный эффект» в резинах проявляется при быстром – от нескольких секунд до нескольких минут – сбросе давления газа со 100-400 атм. до 1 атм. Если влияние «кессонного эффекта» на резину диафрагм действительно имеет место при работе ПЭН, то нефтяники должны описать эксплуатационные условия, при которых происходит быстрое падение гидростатического давления в ПЭН.

   Стойкость к «кессонному эффекту» в резинах может быть обеспечена  двумя способами: либо использовать резины с очень малой эластичностью, высокой прочностью и твердостью, либо – резины с очень высокой эластичностью – разрывное удлинение резин должно быть выше 300% - при этом прочность резины играет второстепенную роль.

 

 По нашему мнению основными показателями резин, обеспечивающими работоспособность диафрагм, в ПЭН являются:

- высокая эластичность, т.е. большое разрывное удлинение, при низких модулях растяжения;

- низкая скорость падения высокой эластичности и роста модуля растяжения в процессе эксплуатации;

- высокая температуростойкость, которая характеризует степень уменьшения прочности и разрывного удлинения с ростом температуры.

   Для стандартных резин на основе нитрильных каучуков при Т>100-150°С коэффициент температуростойкости колеблется в пределах 1,5 – 3 раза. Для резин на основе фторкаучуков при Т0 >= 150 0C этот коэффициент достигает 5-7 раз.

 

IV.              Подходы к методам испытаний резин для диафрагм.

 

1. Практически все лаборатории на предприятиях, имеющих отношение к производству и эксплуатации нефтедобывающего оборудования, проводят испытания стойкости резин в маслах – определения набухания и изменения свойств резин – путем длительного – 1-5 суток – нагревания до заданных температур образцов резин в маслах при атмосферном давлении и при прямом контакте масел с кислородом воздуха. Использование такой методики зачастую приводит к тому, что на основании её результатов выбираются резины непригодные для применения их в диафрагмах. Причины для этого следующие:

- набухание резин в маслах при атмосферном и высоком давлении происходит в разной степени;

- при нагревании резин в маслах на  воздухе происходит окисление, а следовательно и изменение химического состава как масел, так и резины;

- как набухание, так и химическое «старение» окисляющихся резин с окисляющимися маслами происходит неизвестным образом и, следовательно, дает недостоверные по отношению к условиям эксплуатации результаты.

По вышеизложенным причинам рекомендуется проводить испытания резин в маслах (в соответствии с ГОСТ 9.030-74 «Резины. Методы испытаний на стойкость в ненапряженном состоянии к воздействию жидких агрессивных сред») в стальных герметически закрытых контейнерах, заполненных маслом на 90-95% объема. При высоких температурах за счет испарения масел в контейнерах развивается давление до 50-80 атм., что до некоторой степени приближает условия испытаний к эксплуатационным.

 

2.            Нами проводилось изучение старения ряда резин на основе нитрильных каучуков как на воздухе, так и в маслах в соответствии ГОСТ 9.030-74. Определяли изменения физико-механических свойств «состаренных» образцов резин при +200C и их поведение при изгибе на 180° при +20°С и при +1800 - 2200C.

               Получено, что при уменьшении разрывного удлинения до 45-60% все резины при перегибе на 1800 при температуре +20°С либо разрушаются, либо на поверхности образуются трещины. При температурах +1800-220 0C разрушаются или растрескиваются при перегибе на 1800 резины, имеющие разрывное удлинение </=120%.

 

               Как показано в разделе II, растяжение резин в диафрагмах при колебаниях давления может достигать 50-100%. Следовательно приведенное выше значение разрывного удлинения резин (100-120%) при температуре +20 0C  является критическим.

При меньших значениях разрывного удлинения резин вероятность выхода из строя – разрушения - диафрагм резко возрастает.

Отсюда следует, что резины для производства диафрагм должны иметь большие значения разрывных удлинений от 300% минимально до 500%-700%. При этом даже при одинаковых скоростях «старения» резин при постоянном времени работы, если разрывное удлинение резин упадет в 2 раза, то для резин типа  «С»-26Ч это значение уменьшится  с 200% до 100%, т.е. до критического значения, а для резины «С»-М-3 -  с 500% до 250%, т.е. до значения, в 2,5 раза превышающего критическое.

Однако из теории и практики известно, что «старение» резин помимо температуры и среды активирует работа деформации, т.е. произведение величины деформации на усилие, при котором эта деформация достигается. Для низкомодульных – «мягких» - резин с большими разрывными удлинениями активирующее влияние работы деформации невелико, поэтому скорость «старения» резины «С»-М-3 значительно – в2-3 раза – ниже, чем у резин типа «С»-26Ч. В результате температура эксплуатации резин типа «С»-26Ч и резины   «С»-М-3 равны соответственно +1600 -180 0C (max) и 2000 – 220 0C (max).

 

3.      На основании нашего опыта экспериментальных работ мы полагаем, что определение температуростойкости резин для диафрагм при перегибе при высоких температурах является перспективным методом. Развитие этого метода и его стандартизация могут дать сравнительную информацию о работоспособности различных резин в диафрагмах, а также определить причины выхода диафрагм из строя – то ли это предельный показатель «старения» резин, то ли это отклонение условий эксплуатации от нормальных (заданных нефтяниками).

Лаборатория разработки резин ООО «МАЯК-РТИ» проводит работы в этом направлении.

 

4.      Резины на основе отечественного фторкаучука СКФ–26 и зарубежных фторкаучуков, например фирмы «DUPONT» и др., имеющие рецептурные  составы близкие к стандартным, обладают превосходной стойкостью к «старению» при температурах до 250 0C в маслах и пластовой жидкости. Их критическим недостатком является низкая температуростойкость. Деформации диафрагм при высоких температурах сопровождаются их разрушением. Исключение составляет резина на основе каучука «Aflas», изготовление диафрагм из которой освоено ООО «РЕАМ – РТИ». Однако очень высокая стоимость каучука «Aflas» и технологические трудности, особенно в производстве диафрагм, ограничивают их использование.

Лаборатория разработки резин ООО «МАЯК – РТИ» пошла путем рецептурно – технологических разработок резин на основе фторкаучуков, обладающих высокой стойкостью к «старению» в условиях эксплуатации ПЭН в сочетании с морозостойкостью и температуростойкостью.

 

Результаты разработок резин для ПЭН Лаборатории РТИ ООО «МАЯК-РТИ» приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Марка резины

 

 

    Свойства

«С»-М-3 на основе    нитрильного каучука СКН-26

«С»-ФД на основе фторкаучука

«С»-ФД-МТ на основе фторкаучука

Прочность при разрыве, кгс/см2, Н/м

100

100

100

Удлинение при разрыве, %, Н/м

400

300

300

Сопротивление  раздиру, кгс/см ,н             

200

20

20

Твердость Шор А, усл.ед.

65-75

70 - 80

60-70

Набухание в маслах,

% вес

1,5 – 5

1,5 - 3

10 +- 2

Морозостойкость, °С

-30 - -35

-30 - -35

-40 - 45

Допустимая температура эксплуатации, °С

180–200

(кратковременно 220)

200–220

210–230 (кратковременно 250)

Стоимость диафрагмы,

 руб.

500-700

6000

7000

Свойства резин после испытаний в маслах  МДПН – С,  REDA-5 и др.

          в течение 100 суток (по ГОСТ – 9.030-74)

 

«С»-М-3

«С»-ФД

«С»-ФД-МТ

Т0 испытаний, °С

180 +10

200 +10

220 +5

Прочность при разрыве, кгс/см2

110 - 120

110 - 120

90 – 110

Удлинение при разрыве, %

250 - 280

180 - 200

280 - 320

Твердость Шор А, усл.ед.

73 - 81

75 - 85

67 - 73

Заключение.

 

Многолетний опыт работы в области физико-химии каучуков и резин и создания резин для различных условий эксплуатации показал, что для этого:

- необходима информация об условиях эксплуатации резин; чем более сложны и нестандартны условия эксплуатации, тем более подробна, должна быть информация об этих условиях;

- на основании информации об условиях эксплуатации производится разработка представлений о комплексе свойств резин, удовлетворяющих эксплуатационные требованиям;

- на основе представлений о комплексе рабочих свойств резин, знаний о физико-химических свойствах каучуков и резин, а также нестандартных подходов к рецептуростроению  проводятся рецептурно–технологические работы по созданию резин с требуемым комплексом свойств;

- в дополнении к стандартным методам испытаний резин необходима разработка нестандартных методов испытаний, имитирующих в той или иной степени условия эксплуатации.