Введение к работе
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 народно-хозяйственной 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 исключительно находили применение 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 -60С, высокую экономическую эффективность коммуникаций за счет низких затрат на прокладку и эксплуатацию трубопроводов. В раструбных соединениях трубопроводов из чугуна, в отличие от стальных труб должны применятся специальные уплотнители (манжеты) на основе эластомерных композиционных материалов.
До постановки данного исследования манжеты специальных конструкций для раструбных соединений чугунных труб в России не производились.
Наряду с проблемой транспортирования жидких и газообразных энергоносителей не менее актуальной является проблема тепловодоснабжения населения 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.
Для муфтовых соединений асбестоцементных труб конструкция и материал манжет также требуют усовершенствования.
До настоящего времени в стыках этих трубопроводов применялись резиновые уплотнители низкого качества, уступающие по уровню основных эксплуатационных свойств требованиям международных стандартов.
В связи с преимущественным развитием трубопроводного транспорта с использованием чугунных и асбестоцементных труб, соединяемых через раструбы или муфты, особую актуальность приобретает разработка для этих систем долговечных и надежных резиновых уплотнителей.
Таким образом, резиновые уплотнители трубопроводов становятся важнейшими элементами трубопроводного транспорта, обеспечивающего жизненные интересы
населения и государства, так как возможные их отказы могут нанести 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 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.
Целью данного исследования является изыскание, разработка и исследование новой серии резин для надежных и долговечных уплотнений раструбных и муфтовых соединений магистральных трубопроводов, совершенствование их конструкций и отработка технологии изготовления.
Установлены основные принципы разработки рецептуры резин для уплотнителей стыков трубопроводов, транспортирующих нефть с высоким содержанием серы или горячую и холодную воду, заключающиеся в использовании двух совулканизованных между собой резин различного состава и твердости, из которых одна резина обеспечивает надежную герметизацию стыков трубопроводов для любых условий эксплуатации, а другая - предназначена для удержания манжеты в зазоре соединительного узла и зашиты внутренней полости от воздействия внешней среды.
С целью повышения тепло- агрессивостойкости уплотнителей для трубопроводов, транспортирующих нефть с агрессивной составляющей определены направления разработки рецептур резин на основе гидрированного бутадиен-нитрильного каучука и пути совершенствования рецептуры резин на основе этилен-пропиленового каучука, для уплотнителей трубопроводов горячей и перегретой воды, обеспечивающие стойкость резин к воде при повышенных температурах, качественную совулканизапию с однотипными резинами, а также соответствие их санитарно-гигиеническим требованиям Минздрава РФ.
На основе анализа условий монтажа и типичных отказов при эксплуатации применяемых в настоящее время стандартных уплотнителей в муфтовых соединениях асбестоцементных трубопроводов разработана, обоснована и исследована оптимальная конструкция кольца из новой теплостойкой резины, обеспечивающая надежную герметизацию стыка труб.
Разработан и внедрен ряд новых методов и средств исследований и испытаний на долговечность резин для стыков трубопроводов, в том числе методики и специальные установки для проведения ускоренного старения образов резин и резиновых уплотнителей в процессе воздействия серосодержащих нефтей и других агрессивных сред, позволяющие прогнозировать сроки их службы в реальных условиях эксплуатации.
С использованием программного обеспечения "Кинетика" установлены и обоснованы длительные гарантийные сроки эксплуатационной устойчивости резиновых уплотнителей в раструбных и муфтовых стыках трубопроводов.
Практическая значимость работы состоит в следующим:
- разработаны новые рецептуры резин для изготовления уплотнителей стыков трубопроводов на основе гидрированного бутадиен-нитрильного и этилен-пропиленового каучуков, отвечающие требованиям международных и отечественных стандартов и техническим условиям по уровню физических, технологических и эксплуатационных свойств;
созданы "двухрецептурные" уплотнительные манжеты и кольца САМ усовершенствованной конструкции, отличающиеся нетрудоемкой сборкой и надежной герметизирующей способностью;
разработана технология изготовления "двухрецептурных" манжет, заключающаяся в одновременном совмещении процессов формования и совулканизации двух резин с четкой границей между элементами уплотнителя.
рассчитаны прогнозируемые сроки долговечности разрабатываемых уплотнителей в процессе их ускоренного старения, хранения и эксплуатации с установлением требуемых гарантий на уровне не менее 25 лет;
получен санитарно-гигиенический сертификат Минздравсоцразвития РФ для уплотнителей воды;
для комплектации вновь сооружаемых трубопроводов новыми высококачественными резиновыми уплотнителями по разработанной в диссертации нормативной и технологической документации производится их опытно-промышленное и промышленное освоение.
Материалы диссертации докладывались на 14-том Всероссийском симпозиуме с международным участием "Проблемы шин и резинокордных композитов" (НИИШП 2003г.), международной конференции по каучуку и резине (Москва 2004), Первой научно-технической конференции молодых ученых "Наукоемкие технологии" (МИТХТ 2005 г.)
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ
