Композитные материалы для магистральных насосов системы трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов

И. ФЛЕГЕНТОВ
Заведующий лабораторией механо-технологического оборудования ООО «НИИ Транснефть»
e-mail: FlegentovIA@niitnn.transneft.ru

Д. СТАРШИНОВ
Заместитель заведующего лабораторией механо-технологического оборудования ООО «НИИ Транснефть»
e-mail: StarshinovDM@niitnn.transneft.ru

А. ИВАНОВ
Ведущий научный сотрудник лаборатории механо-технологического оборудования ООО «НИИ Транснефть»
e-mail: IvanovAG@niitnn.transneft.ru

Ю. МИХЕЕВ
Ведущий научный сотрудник лаборатории механо-технологического оборудования ООО «НИИ Транснефть»
e-mail: MikheevYB@nittnn.transneft.ru

Е. РЯБЦЕВ
Старший научный сотрудник лаборатории
механо-технологического оборудования
ООО «НИИ Транснефть», к. т. н.
e-mail: RyabtsevEA@niitnn.transneft.ru

ВВЕДЕНИЕ

Исследования, касающиеся создания новых видов материалов, относятся к числу приоритетных направлений научной деятельности в связи с возможностью улучшения характеристик оборудования.
Использование того или иного вида композита в конструкции насоса определяется назначением изделия или узла в составе насоса и соответствующим комплексом свой­ств материала: прочность, пластичность, вязкость, а также прочие особенности, включая шероховатость, технологию получения материала и т. п.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

В связи с вариативностью свой­ств композитных материалов и их представлением на рынке, авторами проведено исследование технических характеристик с последующей оценкой экономической целесообразности их применения в конструкциях магистральных насосов для перекачки нефти и нефтепродуктов элементов и деталей, изготовленных из композитов. Возможность применения композитных материалов в конструкциях магистральных насосов определяется базовым назначением детали: для повышения энергоэффективности следует рассматривать проточную часть насоса (рабочее колесо), а для улучшения показателей надежности целесообразно модернизировать подшипниковый узел.

Для современных насосных агрегатов, предназначенных для транспортировки нефти и нефтепродуктов, характерно применение сталей в узлах проточной части и баббита в качестве материла вкладыша подшипника. Современные композитные материалы обладают различными преимуществами по сравнению со сталями или цветными металлами. К основным положительным качествам композитных материалов относятся в том числе низкие значения эквивалентной шероховатости и повышенные антифрикционные свой­ства, меньший удельный вес при изготовлении сопоставимых изделий. Анализ возможности применения композитных материалов в конструкциях магистральных насосов приведен в таблице 1.

Применение композитных материалов для роторов магистральных насосов для транспортировки нефти и нефтепродуктов

Применение композитных материалов для изготовления рабочих колёс (рис. 1) роторов магистральных насосов позволит обеспечить повышение энергоэффективности насосного оборудования [1], благодаря свой­ствам материала с достижением минимальных значений шероховатости. Для подбора материала проточной части магистрального насоса, перекачивающего нефть и нефтепродукты, следует сформировать критерии отбора на основании технических характеристик материала. Критерии отбора, приведенные в таблице 2, основывались на опыте проектирования и эксплуатации насосов на объектах магистрального трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов.

Для рассмотрения возможности применения композитных материалов выбраны 4 типа насосов, эксплуатирующихся на объектах магистрального трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов: магистральные насосы НМ 1250–260, 12НДс, НГС 315 и подпорный насос НПВ 600. В настоящее время в качестве материала рабочих колёс данных типов насосов используется сталь 20ГЛ.
Эффективность каждого конкретного применения материала зависит от функциональных требований (выдерживать механическую нагрузку, высокие температуры), геометрических параметров (размеры, форма конечного изделия) и свой­ств материала. Соотношение, характеризующее комбинацию свой­ств материала, вид нагружения и т. п.
Из широкой номенклатуры наиболее подходящим материалом для проточных частей насосов является полиамид 66 с 40%-ным содержанием длинного углеродного волокна (ПА66), отвечающий критериям прочности, жесткости и сформулированным ранее критериям.
Результаты прочностных расчетов для насосов с композитными материалами и сравнение с результатами из стали 20ГЛ приведены в таблице 3. Расчеты проводились с помощью специализированного программного комплекса ANSYS.

Результаты прочностных расчетов подтвердили, что рабочие колёса из композитного материала обладают необходимыми прочностными показателями для применения в процессе изготовления рабочих колес насосов и дальнейшей эксплуатации.
Прочностные и гидравлические расчеты рабочих колёс из композитных материалов проведены расчетно-­теоретическим методом с использованием специализированного программного обеспечения. Расчеты проведены для рабочих колёс насосов различного конструктивного исполнения с учётом различных режимов подачи [2]. Гидродинамическое исследование позволило установить прогнозные значения КПД насосов с различными значениями шероховатости рабочих колес из композитных материалов.
Расчеты энергоэффективности насосов с композитными колесами из ПА66 проведены для номинальной рабочей точки насоса. Перевод из реальной шероховатости в эквивалентную песочную шероховатость, используемую в расчетах, произведен по формуле (1):

В результате проведенных расчетов были получены значения КПД и напора. Снижение эквивалентной шероховатости композитного рабочего колеса позволит увеличить расчетный КПД насоса 1,6 % (в частности для насоса НМ 1250–260, как обладающего наибольшей мощностью среди приведенных выше типов насосов) при сохранении прочностных свой­ств и напора.
Для изготовления рабочих колёс из композитных материалов требуется специальное производство – литье под давлением [3], которое относится к одному из наиболее широко распространенных методов формообразования изделий из композитных материалов. Данный метод используют для получения изделий сложной формы. Для организации серийного выпуска рабочих колес магистральных насосов различных конструкций потребуется разработка и изготовление специальных пресс-форм для изготовления деталей на термопластавтомате для каждого типоразмера рабочего колеса. Стоимость серийного образца рабочего колеса зависит в первую очередь от количества изготавливаемых деталей, поэтому основной частью затрат при производстве рабочих колес является изготовление технологической оснастки и пресс-форм, что, в свою очередь, сказывается на высокой стоимости конечного изделия.

Применение композитных покрытий на проточных частях магистральных насосов

Цель нанесения композитного покрытия на проточную часть насоса состоит в снижении гидравлических потерь в насосном оборудовании, что повышает энергоэффективность работы насоса [4].
По результату анализа существующих композитных покрытий [4, 5] для испытаний выбраны следующие четыре перспективных покрытия для применения на поверхностях проточных частей магистральных насосов на основе сформулированных ранее критериев (в первую очередь – стойкость к перекачиваемой среде):
двухкомпонентные покрытия на основе эпоксидных смол (далее –двухкомпонентные эпоксидные покрытия № 1 и № 2);
покрытие на основе полиэфирэфиркетона с карбоновыми нитями (далее – ПЭЭК);
гидрофобное покрытие с нанокерамическими компонентами (далее – гидрофобное покрытие).
С целью исследования эксплуатационных свой­ств выбранных композитных покрытий проведены лабораторные испытания. В качестве подложки образцов для испытаний использовались стальные отливки, изготовленные из стали марки 20ГЛ, применяемой для изготовления рабочих колес и корпусов магистральных насосов.
Для определения влияния совокупности повреждающих факторов (воздействие среды и механических примесей) на стойкость покрытий проводились последовательные испытания на стойкость к воздействию нефтепродуктов (реактивное топливо марки ТС‑1) с последующим определением устойчивости к поверхностному разрушению покрытий под воздействием абразивной эрозии и прочих технических характеристик.
Оценка ресурса выполнялась для наиболее нагруженных узлов насосов и наиболее жестких эксплуатационных условий. Основными поверхностями, подверженными максимальному воздействию абразивного потока, являются выходные кромки лопаток рабочих колес и поверхности спирального отвода корпуса («язык» спирального отвода).
Расчет ресурса покрытий проводился для всего основного типоразмерного ряда магистральных нефтяных насосов: НМ 1250–260, НМ 2500–230, НМ 3600–230,
НМ 7000–210, НМ 10000–210 как для насосов с наиболее высокими требованиями к энергоэффективности.

Исходя из особенностей эксплуатации и конструкций рассматриваемого типоразмерного ряда насосов принимались следующие утверждения [4]:
максимальные скорости абразивного потока, реализуемые на выходе из рабочего колеса рассматриваемых насосов, определены расчетно-­теоретическим методом и находятся в диапазоне значений 34÷45 м/с;
угол выхода (из рабочего колеса) составляет 4º.
массовая доля механических примесей в товарной нефти составляет не более 0,05 %.
Время разрушения покрытия в ускоренных испытаниях на стойкость к абразивному износу τст определяется изменением толщины изношенного слоя h до величины h* (предельного износа), соответствующего толщине покрытия H (рис. 2). Для измерения параметра h в испытаниях используется метод профилографирования. При этом при анализе полученных на экспериментальном стенде результатов принято допущение, что процесс износа является стационарным, т. е. условия изнашивания покрытия по мере увеличения износа не меняются, и, как результат, характеризуется постоянной скоростью изнашивания. Результаты испытаний показали, что процесс может быть представлен функцией на всем интервале от начала установившегося периода абразивного износа после окончания инкубационно-­переходного периода до достижения предельного износа ∆m*
(см. рис. 2 и 3). Результаты исследования изменения толщины покрытия позволят спрогнозировать в процентном соотношении время сохранения характеристик покрытия при эксплуатации насоса.
Определение ресурса проводится по результатам ускоренных испытаний покрытий с учетом стандартов ASTM G76 и ISO 12944, проведенных в более жестких условиях, чем в предусмотренных режимах эксплуатации.

При установлении диапазона срока службы покрытий, определяемого химическим воздействием хлористых солей [5, 6], использовалась методика, изложенная в ISO 12944 «Защита от коррозии стальных конструкций системами защитных покрытий. Часть 6. Лабораторные методы тестирования». Диапазон срока службы устанавливался на основе результатов испытаний на стойкость к статическому воздействию водных растворов солей. Форсирующим фактором в этом случае является химическая агрессивность среды: концентрация хлористых солей. Тем не менее, результаты данного типа испытаний учитываются только при рассмотрении возможности применимости покрытий при наличии в нефти подтоварной воды, содержащей хлористые соли.
Ресурс покрытий с учетом влияния совокупности повреждающих факторов, таких как воздействие среды и механических примесей, рассчитывается по результатам проведения последовательных испытаний на стойкость к воздействию нефтепродуктов и исследований устойчивости к поверхностному разрушению покрытий под воздействием абразивной эрозии. При расчете ресурса покрытий, полученные после ускоренных абразивных испытаний экспериментальные данные со стендового оборудования (время разрушения покрытия) используются для оценочных расчетов при реальных условиях эксплуатации нефтяных насосов.
В итоге при пересчете полученных результатов ускоренных абразивных испытаний на реальный режим эксплуатации для расчета Tн использована следующая формула:

Прогнозные расчетные значения ресурса износостойких покрытий при эксплуатации на магистральных насосах приведены в таблице 5.

Анализ эксплуатационных свой­ств, полученных по результатам лабораторных испытаний, и значений расчётного прогнозного ресурса покрытий (таблица 6) показал отсутствие стойкости гидрофобного покрытия к нефтепродуктам и воздействию водных растворов солей, а также низкий ресурс применения гидрофобного покрытия на магистральных насосах. В связи с данными обстоятельствами применять гидрофобное покрытие с нанокерамическими компонентами на проточных частях магистральных насосов нецелесообразно.
Повышение КПД насоса в номинальном режиме при нанесении покрытий осуществляется за счет снижения шероховатости проточной части и гидрофобности. На основании исследований шероховатости образцов с композитными покрытиями проведен расчет прогнозной величины повышения КПД магистральных насосов при нанесении покрытий на проточную часть (таблица 6).

Затраты на потребление электрической энергии с нанесенными покрытиями на проточную часть магистрального насоса определялись по формуле:

Результаты технико-­экономического анализа показали положительный экономический эффект применения покрытий на основе ПЭЭК с карбоновыми нитями (рис. 4) и двухкомпонентных эпоксидных покрытий на проточной части магистральных насосов. Дальнейшее применение композитных покрытий на проточных частях является действенным способом повышения энергоэффективности магистральных насосов типа
НМ 10000–210, НМ 7000–210, НМ 3600–230, НМ 2500–230 и НМ 1250–260 за счет снижения потребления электроэнергии при работе.

Применение композитных материалов во вкладышах подшипников магистральных насосов

Рассмотренный выше материал ПЭЭК – полукристаллический термопластический высокотехнологичный полимер, в настоящее время также применяется в качестве материала вкладышей подшипников мощных энергетических роторных машин. Опыт использования ПЭЭК во вкладышах подшипников машин для транспортировки газа (с частотой вращения ротора более 5000 об/мин, находящегося в более тяжелых условиях эксплуатации, чем магистральные насосы) позволяет судить о возможностях применения данного материала [7] во вкладышах подшипников скольжения насосов, установленных на объектах магистрального трубопроводного транспорта, например, насоса НМ 10000–210, обладающего наибольшей производительностью.
Для длительной и надежной работы вкладыша подшипников магистральных насосов необходимо выполнять следующие требования к свой­ствам [8]:
– сопротивление усталости, выражающееся в способности материала не разрушаться под действием изменяющихся нагрузок во всем диапазоне рабочих температур;
– высокая износостойкость (способность материалов оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения);
– низкий коэффициент трения;
– высокая задиростойкость;
– способность материала поглощать посторонние твердые частицы (в т. ч. высокая ударная вязкость материала);
– высокая коррозионная стойкость материала в среде смазочного масла;
– экологичность материалов;
– отсутствие искрообразования при работе.
В таблице 7 приведено сравнение свой­ств материалов применяемого в настоящее время во вкладышах подшипников с баббитом Б83 и перспективного материала ПЭЭК.
По результатам анализа свой­ств ПЭЭК и его применения в качестве материала вкладышей подшипников насосов НМ можно сделать следующие выводы на основе его свой­ств:
Снижение механических потерь мощности подшипников на трение до 30 % за счёт более низкого коэффициента трения для ПЭЭК.
Расширение диапазона рабочей температуры подшипников насоса, что повышает надежность.
Графитоволокно образует пленочное обволакивание графитом трущихся поверхностей, что позволяет защитить их от механических повреждений во время пуска и останова гидромашины.
Для подтверждения эксплуатационных характеристик подшипников выполнены соответствующие расчеты для двух вариантов исполнения вкладыша: из баббита Б83 и материала ПЭЭК. Расчеты проводились для опорных и радиально-­упорных подшипников скольжения насоса НМ 10000–210 насосного агрегата. Все расчеты подтвердили работоспособность конструкции подшипника со вкладышами из ПЭЭК для условий работы насоса НМ 10000–210.
По результатам исследований и при сравнении свой­ств ПЭЭК с баббитом Б83 установлено, что при равных условиях, ПЭЭК, в независимости от конкретной марки материала, имеет более низкий коэффициент трения (не превышает 0,05), чем у баббита Б83 (коэффициент трения 0,09) и меньший износ.
По результатам расчетов подшипников со вкладышами из ПЭЭК и баббита, установлено, что прогнозный износ полимерного материала значительно меньше (на 33–37 %), чем у применяемых баббитов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По итогам проведения работы сформулированы следующие выводы:

1. За счет применения композитных материалов в роторах насосов со снижением шероховатости поверхности проточной части, можно повысить КПД насоса (на 1,6 % для насоса НМ 1250–260). Однако в связи с отсутствием на рынке технологий, позволяющих изготавливать рабочие колеса магистральных насосов из композитных материалов без разработки дополнительной оснастки для термопластавтомата, прогнозная стоимость конечного композитного изделия будет значительно выше изготавливаемого по существующим технологиям стального рабочего колеса. Применение композитных материалов для изготовления рабочих колес насосов имеет определенную перспективу в будущем, когда будут решены вопросы по локализации производства на территории РФ композитных материалов, в том числе и сырья для их изготовления, а также повысится уровень развития промышленных предприятий в плане увеличения производственных мощностей специализированным оборудованием.
2. Применение покрытий на основе композитных материалов, снижающих шероховатость поверхности, позволит качественно улучшить гидродинамические свой­ства насоса за счет снижения гидравлических потерь. Повышение КПД при нанесении композитных покрытий на проточные части магистральных насосов типа НМ 1250–260 составляет 2,5÷3,71 %, НМ 2500–230–1,62÷2,62 %, НМ 3600–230–1,37÷1,48 %, НМ 7000–210–0,9÷1,78 % и НМ 10000–210–0,27÷0,77 %. Разработанная методика ускоренных испытаний композитных покрытий апробирована соответствующими испытаниями в лабораторных условиях и позволила определить эксплуатационные характеристики покрытий, а также расчетным методом установить прогнозный ресурс композитных покрытий при эксплуатации магистрального насоса.
3. По результатам сравнения материала антифрикционного слоя с трибологическими свой­ствами полимерного материала ПЭЭК установлено, что ПЭЭК имеет более низкий коэффициент трения и пониженный износ по сравнению с баббитом, что подтверждает целесообразность его использования в конструкциях подшипников магистральных насосов. Применение данного композитного материала в подшипниках скольжения для магистральных насосов типа НМ с радиальной нагрузкой до 0,8 тс технически возможно.
4. В связи с определенными техническими преимуществами при применении композитных деталей в конструкции насосов целесообразно проводить дальнейшие исследования по поиску решений для внедрения подобных материалов в элементы деталей и узлов магистральных насосов для повышения надежности и энергоэффективности транспортировки нефти.