Импортозамещение и увеличение ресурса оборудования

Повышение технического ресурса и стабильности функционирования узлов трения достигается путем модифицирования рабочих поверхностей фторорганическими поверхностно­активными веществами – фтортензидами (фтор­пав). Обработанные фтор­пав рабочие поверхности обладают антифрикционными, антиадгезионными и некоторыми другими специфическими свойствами. Применение фтортензидов в узлах трения, особенно работающих в экстремальных условиях, позволяет существенно увеличить срок их службы.

    

Существующие зарубежные аналоги фтор­пав не обеспечивают всего комплекса свойств, которые достигаются при применении предлагаемых отечественных композиций. Кроме того, они имеют ряд существенных недостатков: более высокую поверхностную энергию материалов, меньшие удельные нагрузки и более низкую температуру эксплуатации.

Фтортензиды представляют собой многокомпонентные системы, включающие фторорганические поверхностно­активные вещества в различных растворителях и регулирующие добавки. В качестве базовых сред могут применяться фреоны, спирты, некоторые другие жидкости.

Молекулы, закрепляемые за счет сил хемосорбции, образуют структуры Ленгмюра в виде спиралей с нормально направленными к поверхности материала осями (рис. 1–2).    Такую поверхность можно сравнить с ворсом на ковре.

Молекулы фторорганического полимера предотвращают прямой контакт поверхности, на которую нанесен фтор­пав, с окружающей средой.

Применение фтортензидов позволяет существенно повысить износостойкость сопряженных деталей и, как следствие, улучшить динамику работы машин, станков, промышленных роботов, различного технологического оборудования, а также режущего и другого инструментов.

Механика взаимодействия фтортензидов с поверхностью твердого тела выглядит следующим образом: при нанесении на поверхности формируется слой ориентированных молекул, радикально меняющих энергетические воздействия поверхности твердого тела. При покрытии металлических поверхностей спиралевидные молекулы в состоянии захватывать электроны в тех местах поверхности, где особо высока электронная плотность, и тем самым «высаживаться» на поверхность. Места с повышенной электронной плотностью образуются на тех участкам металлической поверхности, где имеются нарушения кристаллической решетки. Молекулы вступают во взаимодействие с этими электронами, образуя совместную электронную структуру, что обуславливает особо высокое сцепление фтор­пав с поверхностью субстрата (рис. 3).

Что касается неметаллических поверхностей, например пластмасс или резины, то фтортензиды связываются с поверхностью за счет водородных мостиков, дисперсионных и капиллярных сил. В случае других неметаллов, например керамических материалов, соединение происходит за счет взаимодействия с ионной решеткой.

Постоянно действуют и другие (более слабые) силы сцепления, например, в виде ван­дер­ваальсовских сил и т.п.

Свойства фтор­пав, используемые для увеличения ресурса.

• Резко уменьшается поверхностная энергия материала (примерно в 1 000–10 000 раз; для металлов: с 3 000 – 5 000 мН/м до 2 – 4 мН/м), что ведет к существенному снижению коэффициента трения и, как следствие этого – к повышению износостойкости сопряженных деталей;

• фтор­пав стойки к низким и высоким температурам (они не изменяют своих эксплуатационных характеристик в интервале температур от ­160оС до +450оС), к давлению (удельная нагрузка до 3000 Н/мм2), воздействию химических веществ и радиации.

• «Эффект удержания смазки» – предотвращается растекание смазочных масел по по­верхности, исключается закритическое смещение смазочных веществ («сухое» трение);

• вследствие своей высокой проникающей способности фтор­пав заполняет все поры и микротрещины, дегазирует их и исключает, таким образом, охрупчивание материала (водородная хрупкость); микропоры и микротрещины лишаются возможности концентрировать напряжения и перестают быть потенциальными центрами разрушения;

• поверхность защищается от воздействия влаги и агрессивных веществ;

• «самовосстановление».

Фтортензиды нетоксичны (4­й класс опасности по ГОСТ 12.1.007­76 ССБТ), взрыво– и пожаробезопасны. Особых мер безопасности при работе с фтортензидами не требуется.

Разработаны поверхностно­активные вещества, которые легко эмульгируются в любых смазочных маслах, совместимы со всеми пластичными и консистентными смазками. Это позволяет широко использовать их в автотракторной и авиационной технике с целью повышения ресурса работы узлов трения, межремонтного пробега и снижения материало­ и энергозатрат.

Области применения фтортензидов

Предлагаемые фторорганические композиции обладают широким диапазоном различных свойств и используются во многих отраслях промышленности.

НАСОСЫ

Круглосуточная работа насосов определяет основную статью эксплуатационных расходов – потребление электроэнергии. Поэтому при эксплуатации насосов главным образом уделяют внимание увеличению достигнутого значения КПД. Так, незначительное повышение КПД позволяет получить значительную экономию издержек на перекачку нефти и нефтепродуктов, уменьшение расхода потребления электроэнергии, а также эксплуатационных затрат.

В настоящее время разработан и внедрен технологический процесс нанесения фтор­ПАВ на детали и узлы трения подпорных и магистральных насосов с целью увеличения их межремонтного периода и уменьшения их энергопотребления.

В ходе испытаний определялись характеристики центробежного насоса КМ 100­80­160 при исходном состоянии поверхности и после нанесения гидрофобной фтор­ПАВ на рабочее колесо [2]. Отмечается рост КПД, достигающий максимального значения в оптимальном режиме работы (рис. 5). Определены параметры работы в периоды эксплуатации до и после создания гидрофобного покрытия на основе фтор­ПАВ на поверхностях рабочего колеса (РК) насоса, которые приведены на рис. 7.

Результаты промышленных испытаний по итогам контрольных 14 дневных периодов эксплуатации насоса КМ 100­80­160 в исходном состоянии и после создания гидрофобного покрытия на основе фтор­ПАВ на поверхностях РК показали, что:

• формирование гидрофобного покрытия на поверхностях РК обеспечило повышение эффективности эксплуатации испытанного центробежного насоса – произошло снижение потребляемой мощности в среднем на 7 – 10 Вт на 1 м3 перекачиваемой воды в зависимости от среднесуточного расхода;

• экономия электроэнергии составила около 108 кВт·час за 14 суток эксплуатации после модернизации.

Изменение удельного потребления электроэнергии исследуемым насосом КМ 100­80­160 на протяжении
14 суточных ресурсных испытаний представлено на рис. 8.

Результаты энергетических испытаний насоса КМ 65­50­160 показывают:

• повышение напорной характеристики насоса после создания гидрофобного покрытия, что объясняется снижением потерь гидравлического трения, переходящих в напор;

• снижение потребляемой мощности, в особенности в рабочем диапазоне, что объясняется снижением затрачиваемой мощности на компенсацию гидравлических потерь;

• повышение КПД насоса на 1,5 – 2 % в оптимальном режиме работы (рис. 9);

• уменьшение потребляемой мощности составляет приблизительно 85 Вт.

За 2016–2017 г. на ООО «Интех», г. Воткинск, Республика Удмуртия, фтор­ПАВ типа «Валкон­2» в качестве покрытия был применен более чем на 40 насосах ЦНС. Фтор­ПАВ «Валкон­2» и смазка с МоS2 позволили снизить коэффициент трения, повысить износостойкость сопряженных деталей за счет уменьшения поверхностной энергии материала, предотвратить «сухое» трение. Благодаря данному покрытию удалось уменьшить зазоры между шейками рабочих колес и щелевыми кольцами, при этом наблюдается уменьшение коэффициента трения, не происходит нагрева и приварки стальных деталей друг к другу. В результате чего снижаются внутренние перетоки жидкости внутри насоса, это приводит к увеличению производительности. Благодаря применению «Валкон­2» на кольцах разгрузки снижается коэффициент трения и при этом уменьшается пусковой момент двигателя насосного агрегата от 1,5–2 раз. Применение данной технологии позволяет увеличить ресурс наработки деталей насоса ЦНС до 20–30%, т.е. на 2 тысячи часов и, как следствие, самого насоса и повысить его производительность.

Кроме фтор­ПАВ «Валкон­2» возможно применение фтор­ПАВ «Валкон­М».  «Валкон­М» применяется в качестве присадки к маслу для снижения  температуры в насосах с выносными баббитовыми подшипниками. После применения данной присадки наблюдается снижение температуры  (на 5–10оС ) и вибрации в подшипниковом узле.

Фтортензидной модификации поверхностей подлежат следующие узлы насосных агрегатов:

а) подшипниковые узлы;

б) уплотнительные устройства;

в) рабочее колесо;

г) вал для повышенных мощностей;

д) защитные кольца;

е) кривошипно­шатунный механизм;

ж) гидравлическая часть.

ЗАПОРНАЯ АРМАТУРА (ШАРОВЫЕ КРАНЫ)

Наиболее распространенными нарушениями работоспособного состояния запорной арматуры являются:

1. Невозможность рабочих перемещений запорного органа (заклинивание подвижных частей) при открытии и закрытии арматуры.

2. Увеличение времени срабатывания сверх допустимого.

3. Выходы из строя электропривода, вследствие нарушения перемещений подвижных частей арматуры с характерными рывками или заеданиями. 

4. Нарушение герметичности уплотнений, изолирующих проточную среду от внешней.

5. Органические отложения наряду с коррозионными процессами.

Для определения эффективности применения фторорганических композиций были проведены сравнительные испытания шарового крана DN50 в лаборатории компании АНО «Спецпромарматура». Обработке фторорганической композицией «ВАЛКОН» подверглись детали – пробка и седло шарового крана. В результате испытаний были получены крутящие моменты страгивания (начала движения) на шпинделе шарового крана при нормальной температуре без подачи давления и при перепаде давления, равного 2,5 МПа, до модифицирования деталей затвора и после (рис. 10).

Как видно из гистограммы (рис. 10), модифицирование позволило снизить момент страгивания на шпинделе более чем в 2 раза. Также в результате испытаний на наработку циклов «открыто – закрыто» при повышенных температурах и перепаде давления в 4 МПа были получены следующие результаты, представленные на рис. 11.

На ОАО «Завод «Буревестник» были проведены сравнительные испытания шаровых кранов DN300 по определению усилия на маховиках ручного привода. Усилие страгивания модифицированного шарового крана составило 9 кгс, что в 2,6 раза меньше усилия страгивания контрольного образца, равного 26 кгс.

На ООО «Газпром трансгаз Санкт­Петербург» были проведены испытания опытного образца шарового крана DN500, PN100 типа ГСА­71 с электроприводом AUMA на работоспособность с целью определения эффекта от применения фторорганической композиции «ВАЛКОН». Результаты испытаний приведены на рис. 12 в виде гистограммы.

Учитывая большие потери на трение в приводе крана, для дальнейшего снижения крутящего момента целесообразно проводить модификацию рабочих поверхностей деталей редукторов привода.

РЕДУКТОРЫ

Испытания проводились в северо­западном производственном управлении магистральных газопроводов (ЛПУ МГ). Модифицирование узлов трения фтор­ПАВ производилось на рабочих поверхностях баббитовых вкладышей подшипников скольжения, зубчатых зацеплений, редукторных пар, передающих муфт, зубчатых зацеплений винтового, пускового и главного масляных насосов системы смазки, рабочих шеек валов, колес шестерен редукторной пары, ротора нагнетателя и др.

Анализ результатов испытаний показал, что применение фтор­ПАВ типа «Вал­кон­2» положительно воздействует на снижение вибраций редуктора (рис. 13). Аналогичная картина с характером изменения вибрации наблюдается на электроприводе и нагнетателе.

                                                                                                                             

 

По результатам обработки статистических данных по применению фтортензидного покрытия «ВАЛКОН­2» можно сделать следующие выводы:

– применение фторорганической композиции «ВАЛКОН­2» способствует удержанию смазочной среды в зоне трения, исключая сухое трение в период пуска и останова;

– композиция «ВАЛКОН­2» повышает стабильность функционирования ГПА, снижая уровень вибрации не менее чем на 25%;

– значительно повышается эффективность работы зубчатых муфт, взаимное вибрационное влияние узлов снижается от 1,5 до 5 раз;

– безвозвратные потери масла снизились на 18% и составили 0,23 кг/час;

– максимальная температура на подшипниках скольжения при одинаковой температуре наружного воздуха снижается минимум на 3°С;

– наибольший эффект от применения достигается на редукторе;

– коэффициент потерь уменьшился на 5,3%, по сравнению с состоянием до обработки фторорганическими композициями, что соответствует идентичному повышению общей эффективности ЭГПА.

ПОДШИПНИКИ

Для улучшения триботехнических характеристик деталей, носящих характер трения скольжения (шток­цилиндр, ролик­втулка и др.), на их рабочие поверхности наносят фтор­ПАВ.

Триботехнические испытания сопряжений из стали 45 и стали 40Х со смазкой СТП­3 (ТУ 38 УССР 201232­81) показали, что модифицирование позволяет значительно снизить пусковой момент трения и износ контактирующих деталей [1]. Так, в случае обработки композицией обоих образцов (верхнего и нижнего) пусковой момент трения и износ контактирующих деталей снижался более чем в 6 раз (рис. 14).

Аналогичные результаты были получены и в случае длительных износных ис­следований стальных пар трения (рис. 15). После завершения испытаний износ полностью модифицированной пары был в 6 раз меньше износа исходной пары трения. Обработка композицией одного из образцов (верхнего или нижнего) также обеспечивала значительное повышение износостойкости трибосопряжений.

В процессе испытаний фторорганическое покрытие наносилось на различные материалы, детали, инструменты, штампы, пресс­формы, пары трения, узлы механизмов и агрегатов. Были получены следующие результаты, подтвержденные соответствующими актами и протоколами (см. таб.):

 

Технология нанесения нанокомпозиции «ВАЛКОН» включает в себя следующие операции:

– очистка, обезжиривание и высушивание поверхности материала;

– нанесение раствора на поверхность материала;

– термофиксация.

Нанесение покрытия осуществляется либо погружением субстрата в раствор, либо аэрозольным распылением раствора, либо тампонированием, либо другим, наиболее приемлемым способом. При этом расход указанного раствора композиции составляет 140 – 200 
г/м2 (в зависимости от шероховатости поверхности и способа нанесения), что обеспечивает хорошее качество покрытия. После нанесения покрытия осуществляют термообработку (сушку) покрытия при температуре от 40 до 120°С в течение 0,5 – 2 часов, более предпочтительно при температуре от 80 до 120°С в течение от 40 до 120 минут, что позволяет полностью улетучиться растворителю и получить однородное стойкое антифрикционное покрытие.

Велижанин В. С., к.т.н.

Путиев К. А., академик Санкт­Петербургской инженерной академии

Случаев А. А., академик Санкт­Петербургской инженерной академии

Список используемой литературы

1. Напреев И.С. Управление трибологическими характеристиками подшипниковых узлов методом эпиламирования, дис. канд. техн. наук, Гомель, 1998.

2. Чернышев С.А. Повышение эксплуатационных качеств центробежных насосов на основе изменения гидродинамического взаимодействия рабочего потока с элементами проточной части, дис. канд. техн. наук, Москва, 2008.

«Нефть и Газ Сибири» №3 (28) август 2017