Компания «Константа-2» разрабатывает композиционные материалы и производит изделия из них по трем направлениям: высокопрочные теплостойкие конструкционные материалы; материалы для уплотнений; материалы для антикоррозионной защиты металлических корпусных изделий.
Поскольку выбор материала – это всегда компромисс между различными требованиями и возможностями, предоставляемыми материалом, основной упор делается не столько на разработку материалов, имеющих лучшие свойства (например, прочность), сколько на поиск материалов с определенным набором свойств для конкретных условий эксплуатации и нагрузок. Схема, представленная на рисунке 1, характеризует этот подход: на основе знания условий эксплуатации разрабатывается расчетная схема, и по ней определяются напряжения и деформации, действующие в конструкции, будь то уплотнительный узел или корпусная деталь. Исходя из этого определяются основные физико-механические характеристики, описывающие напряженно-деформированное состояние конструкции. Окончательный выбор материала определяется также при учете агрессивности и температуры среды.
Очевидно, что для реализации такого подхода необходимо иметь в распоряжении материалы с регулируемым комплексом свойств, из которых можно осуществлять выбор. На основе представленных положений разработана линейка композиционных материалов на основе термостойких полимеров: фторопласта, полифениленсульфида, полиоксиметилена, полиэфирэфиркетона, сверхвысокомолекулярного полиэтилена под брендом «Констафтор» (табл. 1), превосходящих по комплексу своих свойств применяемые сейчас.
Варьирование состава и количества вводимых в полимерную матрицу наполнителей позволяет получать материалы с уникальным комплексом свойств:
• предел текучести (прочности) при сжатии – от 40 до 250 МПа;
• предел текучести (прочности) при растяжении – от 20 до 200 МПа;
• модуль упругости при сжатии – от 300 до 6 000 МПа;
• модуль упругости при растяжении – от 200 до 8 000 МПа;
• твердость по Шор Д – 50-90 ед.;
• коэффициент линейного расширения – не более 4 х 10 -5 1/град.;
• коэффициент сухого трения скольжения – 0,1-0,15;
• водопоглощение – менее 0,1 %;
• скорость относительного перемещения для подвижных уплотнений – до 5 м/сек.
Материалы отличает высокая стойкость в растворах кислот и щелочей, нефтепродуктов и растворителей к метанолу и сероводороду; стойкость к гидролизу – сохранение физико-механических свойств после длительной экспозиции в горячей воде и перегретом водяном паре. Наличие такой линейки позволяет выбирать материал с любым комплексом свойств из области значений характеристик, отвечающих условиям нагружения и эксплуатации.
Поскольку условия эксплуатации ЗРА изменяются в направлении увеличения давлений и температур, интересно рассмотреть прочностные характеристики и показатели теплостойкости. Предел текучести (прочности) при сжатии является одной из ключевых прочностных характеристик, т. к. наилучшим образом соответствует усилиям, действующим в уплотнениях. Как видно на рисунке 2, материалы серии «Констафтор» обладают на порядок более высокой прочностью по сравнению с фторопластом. Следовательно, можно получить более высокие характеристики ЗРА, применяя данные материалы. На рисунке 3 представлены данные, отражающие теплостойкость материалов, оцениваемую по деформации при внедрении индентора под давлением 10 МПа в образец материала, нагретый до 200 °С в течение 24 часов. Видно, что материалы обладают в несколько раз более высокой теплостойкостью по отношению к фторопласту, а образцы из «К-1000П» и «К-1000» практически не деформируются при этой температуре, поэтому уплотнения из них можно эксплуатировать при температуре до + 200 °С.
В условиях продвижения добычи и транспортировки углеводородов на Север, а также развития рынка сжиженного природного газа разработка арматуры, работоспособной при низких и криогенных температурах, особенно актуальна. Следовательно, важно исследование свойств материалов и их изменения при низких температурах. Так, известные трудности в обеспечении герметичности шаровых кранов при низких температурах, на наш взгляд, объясняются ростом твердости и изменением линейных размеров уплотнения из-за разницы в коэффициентах линейного расширения пластмассы и металла.
Следовательно, возникает задача согласования теплового расширения под действием повышенных температур или сжатия при пониженных температурах уплотнения и места его установки. Основным способом решения является максимально возможное сближение значений коэффициента линейного расширения полимерного композита и стали. На рисунке 4 представлены КТЛР материалов «Констафтор» в сравнении со сталью и фторопластом. Как видно, некоторые материалы обладают близким к стали коэффициентом, что особенно важно при работе в условиях пониженных температур.
Поскольку наблюдается повышение твердости с понижением температуры (рис. 5), для сохранения герметичности на заданном уровне, видимо, необходимо повышать контактное давление в уплотнении. В то же время снижение твердости разработанных композиционных материалов с ростом температуры происходит не так интенсивно, что коррелирует с данными по теплостойкости, и должно положительно отразиться на работоспособности при повышенных температурах.
Поскольку трибологические характеристики уплотняющих материалов оказывают существенное влияние на экономические показатели ЗРА, т. к. определяют мощность применяемых приводов, представляет интерес исследование коэффициентов трения разработанных композитов. Как видно на рисунке 6, коэффициенты трения материалов выше, чем у фторопласта, однако абсолютная величина, не превышающая 0,15, является вполне приемлемой.
Высокие прочностные и трибологические показатели, а также коррозионная стойкость композитов «Констафтор» позволяют рассматривать их в качестве замены традиционно применяемой в узлах ЗРА бронзы, при этом обеспечивая высокие технико-экономические показатели арматуры. В таблице 2 представлены сравнительные свойства бронзы и композита на основе полиэфирэфиркетона «Констафтор 1000».
Таким образом, основываясь на условиях работы уплотнений и их напряженно-деформированном состоянии, мы можем осознанно подбирать наиболее подходящие для данных условий эксплуатации материалы из линейки разработанных.
Следовательно, существует возможность увеличения параметров работы оборудования, а значит конкурентоспособности ЗРА без существенных дополнительных затрат, достаточно заменить уплотнения и проверить работоспособность уплотнительного узла.
