Влияние пластификаторов на эксплуатационные свойства резиновых деталей, комплектующих погружные электроустановки (ЭПУ) в процессе нефтедобычи.

 

                                                                                                     к.т.н.  А.А. Соколовский

 

            В течение длительного времени комплектацию ЭПУ производили резинотехническими деталями (РТД) –уплотнительными кольцами, сильфонами, манжетами, диафрагмами и т.д.- изготовленными из резин на основе бутадиен-нитрильных каучуков ИРП-3825, ИРП-3826, В-14. Поскольку температура эксплуатации ЭПУ не превышала 100-120 С, то эти резины обеспечивали сроки их эксплуатации до 1 года.

Повышение температурных условий эксплуатации ЭПУ до 150-180 С привели к замене вышеперечисленных марок резин на такие резины, как РС-26-ч, «С»-26Ч, Н-410, Тер-10 также на основе бутадиен-нитрильных каучуков и гидрированных нитрильных каучуков. Перечисленные резины по рекомендациям разработчиков работоспособны при температурах до 160 С.

            Анализ обеих перечисленных групп резин показал, что их составы – рецептуры – не имеют принципиальных различий.

Все резины имеют:

- в качестве основы бутадиен-нитрильный каучук;

- значительное наполнение техническими углеродами (сажами);

- значительное (20-30 массовых частей на 100 массовых частей каучука) содержание пластификаторов – дибутилфталата (ДБФ), дибутилсебацината (ДБС), сложного эфира ЛЗ-7 и т.п.

Различаются эти резины вулканизующими системами, под действием которых «сырые» резиновые смеси превращаются в эластичные резины (процесс вулканизации).

В менее термостойких резинах применяются серные – серусодержащие вулканизующие системы (серная вулканизация); в более термостойких резинах вулканизацию осуществляют органическими перекисями (перекисная вулканизация).

Наполнители – сажи – придают резинам прочность, а пластификаторы улучшают технологические свойства резин при изготовлении РТИ и повышают их морозостойкость.

Ранее нами было показано, что пластификаторы также повышают термостойкость резин, увеличивая «молекулярную подвижность» цепей каучуков.

Отрицательное свойство серийных пластификаторов заключается в том, что они легко улетучиваются под действием температуры и давления или вымываются из резин при контакте с маслами и пластовой жидкостью. Установлено, что полное улетучивание из резин пластификаторов при 100 С происходит за 24 часа, при этом понижение температуры на каждые 10 градусов увеличивает время испарения пластификатора почти в 2 раза. Экспериментально подтверждено, что полное испарение пластификаторов из резин при 50 С на воздухе (без воздухообмена) происходит за 30 суток; при комнатной температуре – за 1 год; при температуре 180 С в неглубоком вакууме (для исключения термоокисления резины) – за 1 час.

В результате улетучивания или вымывания маслами пластификаторов свойства резин радикально ухудшаются:

- эластичность резин падает в 1,5 – 3 раза , разрывное удлинение уменьшается со 150-300% до50-80%.

- твердость резин увеличивается на 15-20 единиц по Шор А – с 70 до 85-90 единиц;

- линейные размеры резиновых деталей уменьшаются на 8-12 %;

- морозостойкость резин уменьшается на 20-30 градусов;

- температуростойкость, то есть прочность и разрывное удлинение резин при температурах 150 С и выше, резко уменьшается;

- динамическая выносливость при многократном растяжении и изгибе падает в десятки раз.

Используемые в ЭПУ резины мало набухают в пластовой жидкости, нефтяных и синтетических маслах, поэтому набухание в них не компенсирует уменьшения линейных размеров резиновых деталей из-за вымывания пластификаторов. В результате уменьшение диаметра сечения резиновых колец и длин (высот) диафрагм и сильфонов приводит к снижению надежности герметизации узлов.

Уменьшение линейных размеров, потери эластических свойств, температуростойкости, динамической выносливости резин приводит к ускоренной потере работоспособности в первую очередь диафрагм – к их разрушению при динамическом растяжении и «складывании, схлапывании» в процессе эксплуатации. То же относится к работоспособности сильфонов торцовых уплотнений и других РТИ, испытывающих динамические деформации при эксплуатации.

Кроме того улетучивание или вымывание пластификаторов сопровождается уменьшением «молекулярной подвижности» каучуковых цепей в резинах, что приводит к ускорению термических процессов структурирования резин, то есть к ускоренной потере резинами эластических свойств, определяющих работоспособность как уплотнительных деталей, так и испытывающих динамические нагрузки диафрагм, сильфонов и т.п.

Существенное ужесточение условий нефтедобычи за последние 2-3 года и соответствующее ужесточение условий эксплуатации нефтедобывающего оборудования привело к повышению требований к комплектующим это оборудование резиновым деталям (повышение температуры эксплуатации до 200-230 С, повышение давления до 250 атм.и выше).

Применение нетрадиционных подходов к рецептуростроению резин позволило лаборатории ООО «МАЯК-РТИ» разработать резины нового поколения такие как:

- «С»-ФД на основе фторкаучука СКФ-26;

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

отличающиеся высокой «молекулярной подвижностью», морозостойкостью до минус 30-40 С, допустимыми температурами эксплуатации в составе ЭПУ до 200-220 С.

            В отличии от вышеперечисленных серийных резин резины «С»-ФД и «С»-М-3 не содержат пластификаторы и потому лишены отрицательных свойств серийных резин.

Резины «С»-ФД и «С»-М-3:

-обладают повышенной работоспособностью при высоких температурах (до 200-230 С) в среде пластовой жидкости и синтетических масел;

- сохраняют эластические свойства при действии высоких температур;

- не изменяют линейных размеров;

- имеют высокую температуростойкость и динамическую выносливость;

- обладают высокой технологичностью;

- резины «С»-ФД и «С»-М-3 имеют невысокую цену (в сравнении с «Афласом» и Тер-10), при этом не уступая им по свойствам, и изготавливаются из отечественного сырья.