автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Совершенствование конструкции клинового затвора нефтепромысловой трубопроводной запорной арматуры с целью повышения его технологичности и ремонтопригодности



ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М.ГУБКИНА

На правах'рукописи АЛЬ-САЛАХАТ ДЖАМАЛЬ АХМЕД,

4 УДК 621.646:622.692 4

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ КЛИНОВОГО ЗАТВОРА НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЙ ТРУБОПРОВОДНОЙ ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЕГО ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ И РЕМОНТОПРИГОДНОСТИ

Специальность 05.04.07 - "Машины и агрегаты нефтяной

и газовой промышленности"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1998 г.

Работа выполнена в Российском Государственной Университете неф™ и газа им. И.МГубкина -

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Протассз В Л.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

1. Доктор технических наук, , профессор Максутов РА.

2. Кандидат технкчгсыас наук Еихчгнтагс Р.М.

' - ЗАО "АРМАГУС"

Защита диссертации состоится "¿У" НеЛлТ/Ц 1998 года . £

у ГО-" - -----

в 1Э часов на заседании диссертационного Совета Д 0532.7.03 в Рос- -

скйсксм государственном университете нефти: и газа им. ИЫГуокида па

адресу: 117917, г.Москва, Ленинский проспект, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина.

Автореферат разослан " /¿¿¿>¿"£^¿1^19981

Ученый секретарь диссертационного Совета

Э.С.Гинзбург

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Интенсификация добычи и снижение себестоимости нефти и газа неразрывно связаны с повышением безотказности и долговечности действующего парка нефтегазодромыслового оборудования.

Одним из ответственных и наиболее распространенных видоз нефтега-зопромыслового оборудования является запорная арматура, используемая для включения и отключения отдельных участков трубопровода и технологических аппаратов. ' .

Из различных видов запорной арматуры наибольшее применение в технологических системах внутрипромыслового транспорта, сбора, подготовки и хранения нефти и газа, а также в системах поддержания пластового давления нашли клиновые задвижки, имеющие достаточно простую конструкцию и низкий коэффициент гидравлического сопротивления.

Анализ причин отказов клиновых задвижек в технологических системах нефтегазопромыслов позволил установить, что 90 % выходов их из строя связано с потерей герметичности в контактном уплотнении затвора из-за разрушения уплотнительных поверхностей корпуса и клина.

В процессе эксплуатации клиновой затвор находится под давлением пульсирующего потока транспортируемого продукта и подвергается интенсивному воздействию абразивосодержащей и коррозионноаетивной среды, что является причиной его интенсивной коррозии под напряжением и гидро-или газоабразивного износа, приводящих к быстрому разрушению уплотнительных поверхностей затвора и, как следствие этого, к потере его герметичности.

Технологические процессы изготовления и восстановления существующих конструкций клиновых затворов задвижки являются достаточно дорогостоящими из-за необходимости проведения трудоемких работ по при-

гонке соприкасающихся уплотнительных поверхностей затвора в процессе его сборки. _

Это в первую очередь связано со сложностью достижения требуемого взаимного положения соприкасающихся уплотнительных поверхностей корпуса и клина как при изготовлении, так и при ремонте задвижек и обусловлено недостаточной технологичностью и .низкой ремонтопригодностью применяемых конструкций клиновых затворов.

В связи с этим, проблема повышения технологичности и ремонтопригодности затворов клиновых задвижек является актуальной.

Цель работы. Повышение технологичности и ремонтопригодности клиновых затворов нефтегазопромысловой запорной арматуры путем использования в затворе самоустанавливающихся уплотняющих колец, крепление которых осуществляется с помощью. клеевого соединения обладающего требуемыми физико-механическими свойствами и долговечностью в эксплуатационных условиях. ■

Научная новизна. Впервые разработаны основные принципы создания многослойных клеевых соединений со слоями различного функционального назначения, обеспечивающих высокую прочность и длительный ресурс соединения уплотняющих колец с базовыми деталями клинового затвора запорной арматуры в осложненных условиях эксплуатации, и методы оценки качества этих соединений. Установлена функциональная зависимость прочности двухслойного клеевого соединения при разрыве от времени его нагру-жения т при заданной величине действующего растягивающего напряжения ар, вида среды и температуры, базирующаяся на кинетической теории прочности твердых тел. Показано, что при увеличении, неравномерности клеевого слоя, характеризуемой разницей в его толщинах, как и при увеличении толщины этого слоя, прочность соединения снижается. Установлено, что с ростом модуля упругости материала клеевого слоя интенсивность снижения

прочности соединения при увеличении толщины и неравномерности клеевого слоя существенно возрастает, а абсолютные значения прочности увеличиваются. Предложена расчетная зависимость прочности клеевого соединения от модуля упругости и толщины клеевого слоя. Разработан метод расчета долговечности двухслойных клеевых соединений уплотняющих колец в различных эксплуатационных условиях при заданной минимально допустимой прочности этого соединения, определяющей его безаварийный межремонтный ресурс.

Практическая ценность работы. Предложена конструкция клинового затвора нефтегазопромысловой запорной арматуры со сменными самоустанавливающимися вклеиваемыми кольцами, отличающаяся более высокой ремонтопригодностью и технологичностью по сравнению с серийными затворами такого же типа. Выбраны материалы грунтовочного и основного слоез для двухслойной конструкции клеевого соединения, обеспечивающие в исходном состоянии и при длительной эксплуатации запорной арматуры в различных эксплуатационных жидких н газообразных средах при повышенных температурах наиболее благоприятный когезионный характер разрушения соединения по клеевому слою при разрыве, обусловливающий наибольшую прочность и длительный ресурс этого соединения.

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и обсуждены на 1-ой и 2-ой Конференциях молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России (новые технологии в газовой промышленности), ГАНГ им. И.М.Губкина, г.Мссхва, 1995 и 1997 г.г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано две работы. Перечень публикаций приведен в конце автореферата.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов, содержот^страниц машинописного текста^таблиц, рисунков/Списка литера-

$ ф

туры из'наименований/приложений. Содержание работы

В первой главе рассматривается специфика условий работы затвора клиновых задвижек на нефтегазопромыслах и причины его разрушения, анализируются преимущества и недостатки существующих конструкций клинового затвора задвижек; предлагается новая конструкция клинового затвора задвижки с вклеиваемыми сменными самоустанавливающимися уплотняющими кольцами повышенной технологичности и ремонтопригодности и обосновываются ее преимущества; рассматриваются основные технические требования, предъявляемые к клиновому затвору новой конструкции; сформулированы цель и задачи исследований.

Специфика условий работы клиновых задвижек на нефтепромыслах в основном определяется высокой агрессивностью эксплуатационных сред, вызывающих интенсивный износ уплотнительных поверхностей затвора. В се-роводородосодержащих пластовых водах ресурс не превышает 3000-4000 часов. Затраты на ремонт затвора составляют 40% от общей епншости ремонта задвижки. Одной из основных причин этого является низкая технологичность. и ремонтопригодность применяемых конструкций затвора, что обусловливал-большие затраты времени и средств на его изготовление и ремонт.

Промышленностью освоено производство ряда конструкций затворов клиновых задвижек. Их можно разделить на две группы: 1)затворы с уплот-нительными поверхностями, принадлежащими непосредственно корпусу и клину; 2)затворы с уплотнительными поверхностями, принадлежащими кольцам, устанавливаемым в корпусе и на клине.

Недостатком конструкций затворов первой группы является сложность доступа к уплотнительным поверхностям корпуса находящимися в его внутренней полости, при изготовлении и ремонте, что затрудняет достижение

требуемого качества и заданного относительного положения этих поверхностей и вызывает необходимость проведения пригоночных работ при сборке элементов затвора.

К недостаткам конструкций второй группы следует, отнести жесткое крепление разнообразными механическими способами уплотняющих колец в расточках корпуса и клина до сборки затвора. Накопленная погрешность при растачивании канавок и изготовлении колец приводит к нарушению требуемого взаимного положения соприкасающихся уплотнительных поверхностей в собранном затворе и, следовательно, обусловливают необходимость проведения трудоемкого процесса пригонки этих поверхностей при изготовлении и ремонте затвора. Поэтому проблема повышения технологичности и ремонтопригодности затворов клиновых задвижек является актуальной.

Эту проблему позволяет успешно решить разработанная, нами новая конструкция клинового затвора с вклеиваемыми самоустанавлизающимися уплотняющими кольцами.

На рис.1 приведен один из вариантов предлагаемой конструкции затвора. Самоустанавливающиеся вклеиваемые кольца со сферическим опорным торцом установлены в сферических канавках клина. Ответные уплотняющие кольца вклеиваются в соответствующие канавки корпуса. Способность уплотняющих колец со сферическим опорным торцом самоусталавли-ваться при сборке клина с корпусом, осуществляемой до отверждения клеевого слоя, т.е. сразу же после нанесения клея на поверхности этих колец и •канавок под них, обеспечивает при'затяжке клина прилегание уплотнительных поверхностей этих колец клтветным уплотнителышм поверхностям. Последующее отверждение клеевого слоя при неизменном положении затянутого клина обеспечивает фиксацию этого положения соприкасающихся уплотнительных поверхностей затвора.

В результате достигается двухсторонняя герметичность затвора и уст-

Рис. 1... Клиновая задвижка с вклеиваемыми сменными самоустанавливающимися уплотняющими кольцами. 1 - корпус; 2 - клин; 3 - уплотняющее кольцо корпуса; 4 - уплотняющее кольцо клина; 5,6 - клеевой слой.

раняется необходимость в проведении трудоемких пригоночных работ в процессе сборки задвижки.

К преимуществам данной конструкции следует также отнести низкие требования к точности формы, размера и к шероховатости склеиваемых поверхностей уплотняющих колец и канавок под них, что подтверждает высокую технологичность этой-конструкции. Клеевой слой в данном случае выполняет роль компенсатора, заполняя в процессе затяжки клина все макро и микрозазоры между сопрягаемыми поверхностями уплотняющих колец и канавок под них в корпусе и на клине.

Уплотняющие кольца изготавливаются 'из соответствующих коррозк-онностойких и износостойких материалов, отвечающих требованиям конкретных условий эксплуатации и обеспечивающих необходимый ресурс этих колец. Уплотнительные поверхности колец притираются вне корпуса и хранятся как запчасти.

Для замены изношенных уплотняющих колец в корпусе и на клине при ремонте задвижки необходимо только прогреть эти кольца до температуры размягчения клеевого слоя и удалить их с помощью съемника. Затем поверхности канавок под уплотняющие кольца корпуса и клина должны быть очищены от остатков старого клея слесарно-механическими способами и обезжирены. После этого производится приклеивание новых колец с затяжкой клина до отверждения клея. Данный технологический процесс достаточно прост, что свидетельствует о высокой ремонтопригодности новой конструкции затвора.

Безотказность затвора с вклеиваемыми уплотняющими кольцами зависит как от физико-механических свойств материала уплоткительных поверхностей, а именно, его износостойкости н коррозионной стойкости, так и от сопротивления разрушению клеевых соединений уплотняющих колец в течение планируемого ресурса.

Изучению влияние физико-механических свойств материалов уплот-нительных поверхностей затвора на их износостойкость и коррозионную стойкость посвящено достаточно большое количество работ, в частности, работы Виноградова В.Н., Гуревича Д.Ф., Жукова В.В., Мамонтова Г.В., Мол-дованова О.И., Протасова В.Н., Сорокина П.М., Степанского М.Г. и др. Поэтому дополнительные исследования не требуются. Вопросам сопротивления клеевого соединения разрушению при воздействии на него различных эксплуатационных факторов, посвящены работы Гуля В.Е., Дылькова М.С., Журкова С.Н., Зейлингера В.А., Зубова П.И.,. Протасова В.Н., Санжаровско-го А.Т., Фрейдина А.С., и др.

Однако, недостаточно изучены применительно к условиям работы клеевых соединений в затворах клиновых задвижек на нефтегазопромыслах вопросы влияния повышенной температуры и эксплуатационной среды, неравномерности клеевого слоя и качества склеиваемых поверхностей на прочность и характер разрушения клеевых соединений разной конструкции на различных клеях, проницаемость этих соединений по отношению к легким фракциям углеводородов, что требует проведения соответствующих исследований.

Длительное сопротивление разрушению клеевого соединения уплотняющих колец с корпусом и клином, т.е. его долговечность определяется как исходной прочностью этого соединения, так и его способностью сохранять эту прочность на требуемом уровне в течение заданного ресурса при комплексном воздействии эксплуатационной среды, повышенной температуры и различных видов механических воздействий.. При этом исходная прочность клеевого соединения определяется как прочнасью самого клеевого слоя (ко-гезионная прочность), так и прочностью его сцепления с металлом (адгезионная прочность).

В связи с этим был проведен анализ действующих сил на оеевое со-

единение уплотняющих колец затвора клиновой задвижки. Показано, что на клеевое соединение действует усилие по нормали к уплотннтельным поверхностям колец и сдвигающее усилие в плоскости клеевого слоя. При совместном действии этих усилий клеевое соединение находится в двухосном напряженном состоянии. Действием возникающих при этом сжимающих напряжений можно пренебречь, т.к. они практически не оказывают влияния на длительную прочность клеевых соединений. Наиболее опасными являются растягивающие напряжения от сдвигающего усилия, действующего в плоскости клеевого слоя. Рассчитаны максимальные значения данного напряжения в клеевом слое. •

Долговечность полимерных материалов обычно оценивается временем до его разрушения, описываемым известным уравнением в кинетической теории тв ердых тел

ТпрЮ = т0 ехр [(ио-сгру)/ ЯТ], (1)

где Тпр - время до разрушения полимерного материала,

то - постоянная, численно близкая к периоду колебаний атомов, то=10"12 с, Ц)- энергия активации процесса разрушения в исходном состоянии, и0=а«у, .

ст, - критическая прочность полимерного материала,

о'р- действующее растягивающее напряжение, сгр=сопе1,

у - структурно-чуствите.11ьный коэффициент, характеризующий пергна-

пряжения на межатомных связях, Я - универсальная газовая постоянная, -Т - абсолютная температура. Однако, клеевые соединения металлов на основе полимеров являются более сложной гетерогенной системой с изменяющимся механизмом разрушения в эксплуатационных условиях, т. е. возможен во времени переход от

когезионного характера разрушения к адгезионному. Это обусловливает изменение энергии активации процесса разрушения, в связи с чем, необходимо проводить исследование возможности применения уравнения (1).

В соответствии с поставленной целью задачами данной работы являлись: . ,

1) изучение влиянйя высокой температуры, различных жидких и газообразных эксплуатационных сред на адгезионную и когез ионную прочность и характер разрушения однослойных и двухслойных клеевых соединений уплотняющих колец на различных клеях;

2) изучение влияния качества склеиваемых поверхностей металла на адгезионную прочность и характер разрушения однослойных и двухслойных клеевых соединений на разных клеях в различных эксплуатационных средах;

3) изучение влияния толщины и неравномерности клеевого слоя на ко-гезионную прочность соединения уплотняющих колец на клеях с различными деформационными характеристиками и установление функциональной зависимости прочности клеевого соединения от указанных параметров клеевого слоя;

4) изучение влияния материала клея и толщины клеевого слоя на проницаемость клеевого соединения уплотняющих колец по отношению к легким фракциям углеводородов;

5) изучение длительной прочности клеевого соединения уплотняющих колец на различных клеях при совместном влиянии эксплуатационной среды, механической нагрузки и повышенной температуры;

6) изучение кинетики изменения прочности клеевого соединения уплотняющих колец при комплексном воздействии механической нагрузки, эксплуатационной среды и повышенной температуры;

7) разработка метода прогнозирования долговечности клеевого соединения уплотняющих колец клинового затвора в различных условиях эксплуа-

тации при заданной величине действующего растягивающего напряжения и допустимой остаточной прочности соединения, ниже которой дальнейшая эксплуатация клиновой задвижки недопустима;

8) выбор материалов клеев и конструкции клеевых соединений, обеспечивающих требуемые качество и ресурс затворов нефтегазопромысловой запорной арматуры в различных условиях эксплуатации.

Во второй главе рассматриваются методики исследования адгезионной и когезионной прочности клеевого соединения уплотняющих колец; влияния повышенной температуры и эксплуатационной среды на прочность н характер разрушения клеевого соединения уплотняющих колец затвора; проницаемости клеевого соединения по отношению к эксплуатационным средам; влияния толщины и неравномерности клеевого слоя на его прочность; длительной прочности клеевого соединения при комплексном воздействии эксплуатационной среды, повышенной температуры и механической нагрузки, а также кинетики изменения прочности клеевого соединения в этих условиях. На основании проведенного анализа характеристик различных клеев и соединений металлов на их основе предварительно выбираются эпоксидно-кремнийорганические клеи К1, К2, КЗ и К4 и конструкция образцов клеевого соединения для экспериментальных исследований, имитирующая соединение уплотняющих колец с корпусом и клином затвора. В соответствии с требованиями, предъявляемыми к клеевым соединениям уплотняющих колец затвора 'клиновых задвижек, используемых на нефтегазопрсмыслах, в качестве объектов исследования предварительно выбраны: однослойная конструкция клеевого соединения на клеях К1, К2 и КЗ и двухслойная на тех же клеях с грунтовочным подслоем из термостойкой и водостойкой фенольной грунтовки Гр1. Рекомендованы рациональные режимы холодного и горячего отверждения клеевого слоя из наиболее эффективных клеев К1, К2 и КЗ. Когезионяую прочность клеевого слоя изучали на свободных пленках из исследуемых кле-

ев, а адгезионную прочность на образцах клеевого соединения на тех же клеях.

В соответствии с анализом условий эксплуатации затвора задвижки доя исследования влияния различных сред на прочность и характер разрушения клеевых соединений, в качестве модельных сред были выбраны: 3%-ный водный раствор ЫаС1 (1=бр°С), высокосернистая нефть (1=60°С), водяной пар (1=130°С) и воздух @=250°С). Образцы выдерживали в данных средах в течение определенных интервалов времени, а затем подвергали механическим испытаниям на разрыв при температуре, соответствующей температуре модельной среды.

Исследования влияния толщины и неравномерности клеевого слоя на прочность клеевого соединения уплотняющих колец в различных средах и при разных температурах проводили на .специально изготовленных образцах клеевого соединения, позволяющих изменять геометрические параметры клеевого слоя. Показателем неравномерности являлся параметр X, равный разности толщин клеевого слоя соединения в пределах диаметра образца.

Исследование длительной прочности клеевого соединения при комплексном воздействии эксплуатационной среды повышенной температуры и механической нагрузки проводили на специальной рычажной установке, позволяющей создавать одноосное растяжение клеевого соединения, находящегося в камере с модельной средой при соответствующей температуре. В процессе исследования определяли время до разрыва и характер разрушения клеевого соединения в нефтяной и водной средах при температуре 60°С и различной величине растягивающего напряжения. Исследование кинетики изменения прочности клеевых соединений проводили на той же.установке в аналогичных условиях при времени нагружения меньшем времени до разрыва клеевого соединения при выбранных величинах растягивающего напряжения, после чего проводили их механическое испытание на разрыв и опреде-

ляли остаточную прочность.

Проницаемость клеевого соединения изучали на свободных пленках разной толщины, отлитых из исследуемых материалов клея с наполнителем и без него. В качестве наполнителя использовали алюминиевую пудру в количестве 10 масс.ч. В качестве модельной среды'использовали бензин марки АИ-98. Показателем проницаемости являлись потери массы среды (Дт), про-

ходящей из рабочей камерычерез пленку, являющуюся мембраной.

В третьей главе рассматривается влияние повышенной температуры, эксплуатационной среды, толщины и неравномерности клеевого слоя на прочность и характер разрушения однослойных и двухслойных клеевых соединений уплотняющих колец затвора.

Показано, что у однослойных конструкций клеевых соединений с ростом температуры окружающей среды, наряду со снижением прочности, изменяется н характер разрушения при разрыве, переходя от когезионного к смешанному или адгезкоктгому, в зависимости от материала клея и значения повышенной температуры. Адгезионный и смешанный характеры разрушения обусловливают более низкие значения прочности и меньший ресурс клеевого соединения при эксплуатации в различных средах в условиях повышенных те:.яератур, из-за низкого сопротивления адгезионных связей разрушению в этих условиях. У двухслойных конструкций клеевых соединений, представляющих собой сочетание грунтовочного и основного слоёв, в исследованном диапазоне температур от 20 до 250°С, стабильно сохраняется коге-зионный харгктер разрушения. Это свидетельствует о высокой эффективности предложенной многослойной конструкции клеевого соединения, позволяющей дифференцированно управлять его когезионной и адгезионной прочностью применительно к заданным условиям эксплуатации за счет соответствующего выбора материалов основного и грунтовочного слоев.

При воздействии на однослойные клеевые соединения уплотняющих

колец большинства эксплуатационных сред и повышенной температуры, как правило, изменяется характер их разрушения при разрыве, переходя от исходного когезионного разрушения к адгезионному, или смешанному, что объясняется низкой устойчивостью в этих средах адгезионных связей, образуемых клеевым слоем со сталью. У двухслойных клеевых соединений длительно сохраняется исходный когезионный характер разрушения но клеевому слою при воздействии различных эксплуатационных сред и повышенной температуры. Это определяет достаточно высокую прочность и длительный ресурс двухслойных клеевых соединений при эксплуатации запорной аппара-. туры в различных эксплуатационных условиях.

Исследования показали, что прочность и характер разрушения однослойных клеевых соединений стали в эксплуатационных средах на выбранных клеях зависят от метода механической обработки склеиваемых поверхностей. Степень этого влияния в значительной мере обусловлена материалом клея и видом среды. Метод механической обработки склеиваемых поверхностей не оказывает влияния на прочность и характер разрушения двухслойных клеевых соединений на тех же клеях и в тех же эксплуатационных средах. При правильном выборе материала грунтовочного слоя во всех случаях со-, храняется исходный когезионный характер разрушения по клеевому слою. При этом выбор метода обработки склеиваемых поверхностей уплотняющая . колец затвора определяется только его технологичностью в условиях машиностроительного и ремонтного производств запорной арматуры.

С увеличением неравномерности клеевого слоя, как и с ростом его толщины, прочность соединения снижается при значениях толщины меньших, так называемой, равновесной и стабилизируется при толщинах сылшг. равновесной. При этом интенсивность снижения прочности клеевого соеда-нення с ростом толщины и ее абсолютные значения определяются модулем упругости материала клеевого слоя. С ростом модуля упругости интенсив-

ность снижения прочности при увеличении толщины клеевого слоя возрастает, а абсолютные значения прочности увеличиваются.

Установлена функциональная зависимость прочности клеевого соединения от модуля упругости и толщины клеевого слоя

tf = KfcfEro, / Ео ^ (5Р / 5)т, (2) •

5-<8р

где а - прочность клеевого соединения,

Kt, Ео, а - постоянные; Кг=1 МПа; Ео =1 МПа; а = 0.50, 5 - фактическая толщина клеевого слоя, 8Р - равновесная толщина клеевого слоя, Em - модуль упругости свободной пленки из материала клея.

5Р-МЕи/Ев )\ (3)

где Кр-постоянная; Кр =95.6x10"4 м. При 5 £ 5Р прочность клеевого соединения остаётся постоянной независимо от толщины клеевого слоя и будет определяться только модулем упругости по следующему уравнению

a = Kk(Era/Eo)r (4)

Cone давление расчетных и экспериментальных значений прочности соединений при различных модулях упругости и разных толщинах клеевого слоя подтверждает адекватность предложенного метода расчета прочности многослойных клеевых соединений и целесообразность его использования на практике. .

В четвертой главе рассматриваются результаты экспериментальных и аналитических исследований долговечности клеевого соединения уплотняющих колец клинового затвора при комплексном-воздействии эксплуатационной среды, повышенной температуры и механической нагрузки. •

Согласно существующим представлениям, долговечность клеевых соединений металлов оценивается временем до разрушения в заданных услови-

ях эксплуатации. В соответствии с этим была исследована длительная прочность двухслойных клеевых соединений.

Показано, что для расчета времени до разрушения двухслойного клеевого соединения при комплексном воздействии на него растягивающего напряжения, эксплуатационной среды и повышенной температуры может быть использовано известное уравнение длительной прочности твердых тел (1), рассматриваемое в кинетической теории прочности. Правомерность исполь-: зования этого уравнения обусловлена стабильностью когезионного характера разрушения двухслойного клеевого соединения в подобных условиях, а, следовательно, постоянством во времени энергии активации процесса разрушения этого соединения. На основании экспериментальных данных рассчитаны численные значения параметров (у, , Цо), входящих в уравнение длительной прочности для двухслойных клеевых соединений на клеях К1, К2 и КЗ, в соответствии со следующими выражениями

у = [К.Т( 1л -СщЛ/То - 1п Т^/То )] / (СТр2 - СГрО (5)

СТ, = КТ/у1я(ТПр(/То)+-СТр; (6)

и0=а,/7 ' (7)

Сопоставление расчётных и экспериментальных значений времени до разрушения двухслойных клеевых соединений в водной и нефтяной срекш. при 60 °С и разных величинах растягивающего напряжения подтвердило адекватность предложенного метода расчета долговечности клеевых'соединений в подобных условиях.

Рассмотренный совестный метод оценки долговечности полимерных материалов позволяет оценивать только время до разрушения клеевого соединения. Однако, при работе запорной арматуры разрушение клеевых соединений уплотняющих колец в затворе, а, следовательно, создание аварийной ситуации недопустимо.

Поэтому наиболее разумным в данном случае является метод оценки

долговечности клеевого соединения, исходя из времени изменения его исходной прочности (т) до заданной минимально допустимой (остаточной)

прочности (den). В связи с этим были проведены исследования кинетики из-

v

менеиия прочности клеевых соединений уплотняющих колец при комплексном воздействии эксплуатационной среды, повышенной температуры я мехл-

- f

нической нагрузки. __

Показано, что в полулогарифмических координатах a^rf (lgx), где т - время нагружения, а фактическая величина прочности соединения после определенного времени нагружения при заданной величине растягивающего напряжения (ар), Графики, полученные при различных значениях Стр, представляют собой пучок кривых с общим полюсом, положение которого определяется координатами oi. Igt (рис. 2). Прямая, соединяющая точки противоположных концов этих графиков, является графиком длительной прочности данного клеевого соединения в той же среде, описываемым уравнением (1). При этом каасдьш из графиков a^f (lg~) состоит из двух участков: линейного, соответствующего наибольшему интервалу времени, и криволинейного. Подобная закономерность характерна для усталостного механизма разрушения материалов.

Линейный участок графика соответствует периоду накопления дефектов в материале, являющихся зародышами трещин при комплексном воздействии на него эксплуатационных факторов, а криволинейный участок - периоду роста усталостной трещины.

На основании выявленной закономерности кинетики изменения прочности двухслойных клеевых соединений при одновременном воздействии на них механической нагрузки, эксплуатационной среды и повышенной температуры для расчета остгтсч:-;ой прочности (а^) двухслойного клеевого соединения уплотняющих колец запорной арматуры, предложено следующее уравнение

бскг/ МП а.

Рис. 2. Кинетика изменения прочности двухслойного клеевого соединения на клее КЗ при статической

, усталости в водной срсдс: . ,

1- ¡график длительной прочности соединения; 2,3,4;5 - кинетические кривые изменения прочности сосдикегзв:^ 2 - сР = 12,4 МПа; 3 г стР = 10,8 МПа; 4 - стр = 9,3 МПа; 5 - стР = 0.

сгосг(тд= СГ,- (ст, - <ТрН (т/ То-ехр ((ст* - аР№Т)]° (8)

где (Тост СО - остаточная прочность клеевого соединения за время после испытания (т;); г т,- время действия эксплуатационных факторов; " а - постоянная, характеризующая в логарифмических координатах скорость относительного снижения прочности а =1/^ то = 0,083

При отсутствии механической нагрузки, т.е. стр=0, выражение (8) примет вид:

Стост (т*)= с, -[1 - (т/ Тоехр(сг1:уЛ1Т)а] ч (9).

В соответствии с выражением (8) долговечность (тдга0 двухслойных клеевых соединений уплотняющих колец на различных клеях в конкретных эксплуатационных условиях при заданной величине допустимой остаточной прочности соединения (сгдщ,), определяющей его безаварийную работу описывается уравнением

т«,=то-ехр [(с« - ъЪ/КЩГ' СТдоп , (10)

где Тдот - долговечность клеевых соединений при статической нагруженное™ в эксплуатационной среде при заданной допустимой остаточной прочности (од0п);

Стдо'п - минимально допустимая остаточная прочность клеевого соединения, определяющая его ресурс. При отсутствии нагрузки на клеевое соединение, т.е. ор=0 выражение (9) имеет вид

то-ехр(ъу/КТ) Ла* ^°Гд0" . (11)

Сопоставление расчетных и экспериментальных значений остаточной прочности (оосг) двухслойных клеевых соединений в водной и нефтяной средах при 60 °С и различных значениях растягивающего напряжения (ор) подтвердило адекватность предложенной математической модели и правомерность предложенного метода оценки долговечности на практике."

Определены значения коэффициента проницаемости (р) для предварительно выбранных материалов клеев по отношению к парам легких фракций углеводородов, содержащихся в эксплуатационных средах и обеспечил» требуемую пожарную безопасность при эксплуатации затворов с вклеенными, уплотняющими кольцами в подобных средах. Показано, что введение в материал клея в качестве наполнителя алюминиевой пудры в количестве 10 м.ч. позволяет при сохранении высоких механических характеристик клеевого соединения существенно снизить его проницаемость.

На основании выполненных экспериментальных и аналитических исследований для крепления уплотняющих колец в затворе клиновой задвижки выбрана двухслойная конструкция клеевого соединения, обеспечивающая необходимое качество и требуемый ресурс затвора в эксплуатационных условиях. В качестве материала грунтовочного слоя рекомендована грунтовка Гр1, а в качестве материала основного слоя - клей КЗ.

В петой главе приводятся результаты опытно-промышленных испытаний клинового затвора задвижки со сменными самоустанавливающшшся вклеиваемыми уплотняю щимя'кольцами на герметичность.

В качестве метода сборки затвора данной конструкции был выбран наиболее экономичный в условиях крупносерийного производства метод полной взаимозаменяемости. Для обеспечения применения этого'метода был проведен соответствующий размерный анализ данной конструкции клинового затвора, на основе которого разработаны рабочие чертежи элементов затвора новой конструкции и установлены нормы точности на сопряженные

размеры отдельных элементов затвора, обеспечивающие необходимую точность его сборки. В соответствии с этими чертежами арматурным заводом ЗАО "Армагус" (г. Гусь-Хрустальный) была изготовлена опытная партия клиновых задвижек с О,=80 мм и Ру=0,4 МПа., Технологический процесс сборки элементов затвора опытной партии'включает в себя , следующие этапы: 1) подготовка склеиваемых поверхностей уплотняющих колец и канавок под них в корпусе и на клине; 2) нанесение слоя клея на соприкасающиеся ■поверхности уплотняющих колец и канавок под них в корпусе задвижки; 3) нанесение слоя клея на соприкасающиеся поверхности самоустанавли-вающжся уплотняющих колец и канавок под них на клине, установка клина в корпус и его затяжка до отверждения клеевого слоя; 4) контроль качества сборки клина с корпусом задвижки; 5) отверждение клеевого слоя в сопряжениях уплотняющих колец с корпусом и клином.

Затворы задвижек с уплотняющими вклеенными кольцами были оп-риссованы воздухом на стенде для приемно-сдаточных испытаний задвижек арматурного завода ЗАО "Армагус".

Результаты испытаний, приведенные в акте, показали, что затвор. задвижки со сменными самоустанавлнвающимися уплотняющими кольцами обеспечивает двухстороннюю герметичность по классу "А". По данным ОТК арматурного завода ЗАО "Армагус" данная конструкция затвора обладает требуемой технологичностью и высокой ремонтопригодностью. Новая конструкция затвора принята к внедрению-в ЗАО "Армагус".

ВЫВОДЫ

1. Предложена конструкция клинового затвора нефтегазопромысловой запорной арматуры со сменными самоустанавливающимися вклеиваемыми кольцами, отличающаяся более высокой ремонтопригодностью и технологичностью по сравнению с серийными затворами такого же типа.

2. Для надежного соединения уплотняющих колец с базовыми деталями затвора методом склеивания предложена многослойная конструкция клеевого соединения со слоями различного функционального назначения, обеспечивающими требуемую адгезионную и когезионную прочность клеевого соединения в различных условиях эксплуатации запорной арматуры. Сформулированы основные принципы создания многослойных клеевых соединений и разработаны методы оценки их качества.

3. Показано, что при увеличении неравномерности клеевого слоя, характеризуемой разницей в его толщинах, как и йри увеличении'толщины этого слоя, прочность соединения снижается. Установлено, что с ростом модуля упругости материала клеевого слоя интенсивность снижения прочности соединения при увеличении толщины и неравномерности клеевого слоя существенно возрастает, а абсолютные значения прочности увеличиваются.

Предложена расчетная зависимость прочности клеевого соединения от модуля упругости и толщины клеевого слоя.

4. Установлены основные закономерности кинетики изменения прочности двухслойных клеевых соединений при одновременном воздействии на них механической нагрузки, эксплуатационной среды и повышенной температуры. График кинетики изменения прочности клеевого соединения в координатах состоит из двух участков: начального линейного, соответствующего наибольшему интервалу времени и конечного - криволинейного на ограниченном интервале времени. Подобная закономерность характерна д.. •. процессов усталости. При этом линейный участок соответствует периоду накопления повреждений в материале клеевого слоя, а ограниченный криволинейный - ускоренному росту усталостной трещшш, вызывающей разрушение клеевого соединения. Установлена функциональная зависимость прочности даухсвшшого клеевого соединения от времени нагружения при заданной ве-

личине действующего растягивающего напряжения сгр, шда среды и температуры, базирующаяся на кинетической теории прочности твердых тел.

5. Установлены основные закономерности проницаемости паров углеводородов через клеевой слой из различных материалов и установлены значения коэффициентов проницаемости для клеевого слоя из различных материалов клеев. Показано, что введение в состав материала клея в качестве наполнителя 10 масс.ч. алюминиевой пудры, имеющей пластинчатую форму, позволяет существенно снизить проницаемость клеевого слоя по отношению к парам легких фракций углеводородов и тем самым обеспечить взрыво- и по-жаробс~ опасность затворов арматуры с вклеенными кольцами.

6. Разработан метод расчета долговечности двухслойных клеевых соединений уплотняющих колец в различных эксплуатационных условиях при заданной допустимой остаточной прочности этого соединения, определяющей его безаварийный межремонтный ресурс.

7. На основании выполненных экспериментальных и аналитических исследований выбраны дгухслойная конструкция клеевого соединения и материалы клеевого слоя, обеспечивающие требуемую наработку нефтегазопро-мысловой запорной клиновой арматуры на отказ.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Аль-Салахат Д.А. Совершенствование конструкции клинового затвора трубопроводной запоркой арматуры с целью повышения его надежности. М.: "Нефть и газ", 1995.

2. Аль-Салахат Д.А. Исследование длительной прочности клеевых соединений уплотнительных колец в затворе нефтегазопромысловой запорной арматуры. М.: ГАНГ им. И.М.Губкина, 1997.

Заказ 914

Тирах

Отдел оперативной полиграфии РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина