Рабочая жидкость для гидравлической системы газопроводов

 

Изобретение относится к рабочим жидкостям для гидравлических систем, в том числе, для гидравлических систем запорной арматуры газовых магистралей, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера и Северо-Восточных районов России. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и быстродействия системы автоматического управления гидроприводов запорных кранов газовых магистралей в любых климатических условиях (от минус 70^oC до плюс 70^oC), увеличение ресурса работы системы от 100 до 200 циклов. Указанный результат достигается тем, что в качестве рабочей жидкости, имеющей вязкость 18 - 55 мм²/с (линейного или разветвленного строения) и фракции тяжелой нефти с температурой выкипания 180 - 315^oC, взятых в соотношении, % мас.: Полиметилсилоксановая жидкость - 40 - 60; Фракция тяжелой нефти - 40 - 60. 4 табл.

Изобретение относится к рабочим жидкостям для гидравлических систем запорной арматуры газовых магистралей, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера и Северо-Восточных районов России.

К рабочим жидкостям, используемым в качестве среды гидросистемы запорной арматуры предъявляются жесткие требования, обусловленные сложными условиями их эксплуатации.

Рабочие жидкости должны соответствовать определенным физико-химическим показателям. Они должны быть стабильны в течение всего срока эксплуатации и хранения, то есть не изменять физико-химических свойств в течение всего срока службы.

Так, жидкости должны обладать хорошими реологическими свойствами, а именно: значение вязкости мм²/с, при плюс 20^o от 5 до 50 плюс 50^oC не менее 3, 5 минус 50^oC не более 120, зависимость вязкости от температуры должна быть незначительна для обеспечения стабильности эксплуатационных показателей системы запорной арматуры в диапазоне температур минус 70^oC плюс 70^oC.

Жидкость должна иметь удовлетворительные низкотемпературные свойства, в частности, температура застывания жидкости должна быть не выше минус 70^oC, при охлаждении она не должна кристаллизоваться.

Жидкость должна быть инертна по отношению к материалам конструкции системы и предотвращать образование ржавчины.

Жидкость должна обладать хорошими смазывающими хорошими смазывающими свойствами и минимальной сжимаемостью.

Жидкость должна быть нетоксична.

Гидравлическая жидкость, отвечающая всем вышеперечисленным требованиям, обеспечивает 150 200 циклов переключений системы автоматического управления гидропривода с одной заправкой. Продолжительность переключений (быстродействие) не должно превышать 10 секунд.

В качестве гидравлических жидкостей в промышленности используются товарные фракции нефтей, углеводородные жидкости, получаемые из фракций нефтей, и жидкости, полученные синтетическим путем. Наибольшее распространение в практике получили жидкости на основе товарных фракций нефти из-за доступности нефтей, хорошей смазывающей способности их, возможности совмещения с различными антипенными и антикоррозийными присадками.

К недостаткам этих жидкостей можно отнести горючесть нефтей, склонность к окислению жидкости, что приводит к изменению вязкости, то есть нарушению стабильности свойств жидкости во времени. Кроме того углеводороды, входящие в состав нефтей, не совместимы с целым рядом уплотнительных материалов из-за их высокой растворяющей способности по отношению к уплотнению из резины и пластика.

Известно [1] использование в качестве рабочей жидкости и в гидравлических системах запорной арматуры газовых магистралей полиметилсилоксановых жидкостей линейной структуры с вязкостью -10 мм²/с при температуре 25^oC, температурой застывания минус 72^oC.

По своим техническим характеристикам эта жидкость обеспечивает работоспособность кранов в контакте с материалами из резины, пластических масс от 6 месяцев до 1 года при числе переключений 5 8 раз в сутки и температуре окружающей среды не ниже минус 55^oC и транспортируемого газа не ниже минус 58^oC.

При более низкой температуре окружающей среды возрастает вязкость жидкости и вместе с этим механическая нагрузка (до заклинивания механизма) при переключении крана.

Механическую нагрузку при переключении крана можно изменять, варьируя смазывающими свойствами жидкости. Однако, в силу структурных особенностей, полиметилсилоксаны трудно сочетаются с веществами других классов и нет общих представлений и теорий, которые однозначно могли бы указать путь достижения требуемого эффекта при использовании известных веществ с известными свойствами.

В результате не обеспечиваются надежность, ресурс и быстрота действия системы автоматического управления гидроприводом. При циклическом переключении кранов запорной арматуры ресурс работы не превышает 100 циклов.

К гидравлическим жидкостям, полученным синтетическим путем можно отнести, например, эфиры фосфорной кислоты [2] Данные приведены в таблице N 1. Они не вызывают коррозии большинства материалов, однако образующиеся в результате термического и гидравлического разложения фосфорные кислоты могут в присутствии влаги взаимодействовать с металлами. Отрицательные качеством фосфорорганических соединений является то, что они растворяют многие эластомеры, уплотняющие материалы, поверхностные покрытия, различные набивочные материалы, применяемые в гидравлических системах. Переход от минеральных масел к фосфорорганическим затруднен необходимость полной замены резинотехнических изделий на эластомеры совершенно других классов, основным преимуществом эфиров фосфорной кислоты является их повышенная огнестойкость. Широкое применение в качестве гидравлических жидкостей они не нашли, но их используют в качестве добавок (присадок), улучшающих некоторые характеристики нефтяных и синтетических жидкостей.

Наиболее близкой к предложенной является рабочая жидкость для гидравлической системы газопроводов, состоящая из полиметилсилоксановой жидкости, имеющей вязкость 22 мм²/с при 20^oC [3] Полиметилсилоксаны обладают хорошими вязкостно-температурными характеристиками. Ценными свойствами полиметилсилоксанов являются низкая температура застывания, высокая стойкость к окислению и воздействию высоких температур. Они обладают также хорошей деаэрирующей способностью, благодаря чему нашли применение в качестве противопенных присадок, например, к нефтяным маслам.

О низкой растворяющей способности полиметилсилоксанов свидетельствует их хорошая стойкость при работе в контакте со многими пластмассами, эластомерами и красками.

Полиметилсилоксаны воспламеняются в меньшей степени, чем нефтяные жидкости, близкие им по вязкости. Они обладают значительно более высокой сжимаемостью по сравнению с нефтяными маслами и другими органическими жидкостями.

Недостатком полиметилсилоксановых жидкостей является их неудовлетворительная смазывающая способность, по отношению к парам сталь-сталь. В большинстве случаев она значительно уступает смазывающей способности нефтяных масел. Введение же поверхностно-активных веществ для улучшения смазывающих свойств в данном случае затруднено из-за плохой их совместимости с полиметилсилоксанами.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и быстродействия системы автоматического управления гидроприводов запорных кранов газовых магистралей в любых климатических условиях (от минус 70^oC до плюс 70^oC), увеличение ресурса работы системы от 100 до 200 циклов.

Указанный результат достигается тем, что в качестве рабочей жидкости используется композиция на основе полиметилсилоксановой жидкости, имеющей вязкость 18 55 мм²/с (линейной или разветвленной структуры) и дополнительно фракции тяжелой нефти (керосино-газойлевой фракции) с температурой выкипания 180 315^oC, взятых в соотношении, мас.

Полиметилсилоксановая жидкость 40 60 Фракция тяжелой нефти 40 60.

Характеристика компонентов рабочей жидкости: Полиметилсилоксановая жидкость (линейной или разветвленной структуры), имеет следующие физико-химические показатели: Значение вязкости 18 55 мм²/с при 20^oC Плотность жидкости 0,96 0,98 г/см³ при 20^oC
Температура застывания минус 60^oC не застывает
Температура кипения при остаточном давлении 1 3 мм рт.ст. выше 250^oC
Жидкость инертна по отношению к конструкционным материалам гидравлической системы запорной арматуры.

Фракция тяжелой нефти (керосино-газойлевая фракция, ТУ 38.00145-87, выкипающая в интервале температур 180 315^oC, вязкостью не менее 4,5 мм²/с при 20^oC. Содержание нафтеновых оснований не более 60% мас. содержание серы менее 0,01% мас. содержание парафинов, не более 0,5% мас.

Отличительной особенностью изобретения является использование в композиции фракции тяжелой нефти, содержащей не менее 60% мас. нафтеновых оснований в сочетании с полиметилсилоксановой жидкостью (линейной или разветвленной структуры), взятых в определенных соотношениях. В результате предложенного решения наблюдали неожиданный эффект по эксплуатационным характеристикам в части быстродействия автоматического управления газоприводов запорных кранов газовых магистралей и ресурса работы.

Анализ предложенного решения и прототипа позволяет сделать вывод о соответствии предложенного решения критерию "новизна".

Авторам неизвестно аналогичное или близкое техническое решение, обеспечивающее надежность, длительный ресурс работы и быстродействие системы автоматического управления газоприводов. При циклических переключениях крана ресурс работы его с использованием жидкости предлагаемого состава достигает 200 циклов.

Пример 1
В трехгорлую колбу, снабженную мешалкой, капельной воронкой и термометром загружают взвешенное количество (70,0 г) полиметилсилоксановой жидкости ПМС-20, включают обогрев и перемешивание. Из капельной воронки подают определенное количество (30,0 г) КГФ жидкости (керосино-газойлевая фракция тяжелой нефти). Смесь прогревают до температуры 50^oC в течение 1 часа при перемешивании. После охлаждения смесь фильтруют. Определяют физико-химические и эксплуатационные свойства гидрожидкости. Свойства жидкости приведены в таблицах 1 3.

Примеры 2 15 проводят аналогично примеру 1.

Соотношение компонентов приведены в таблице 2.

Полученный готовый продукт представляет собой прозрачную однородную жидкость светло-желтого цвета. Анализ жидкости проводили по следующим показателям: кинематическая вязкость при 20^oC, при плюс 50^oC, при минус 40^oC; плотность при 20^oC; температура застывания 0^oC; смазывающая способность диаметр пятна износа, мм, на 4-х шариковой машине трения. Жидкость испытывалась в контакте с уплотнениями из фторсиликона, тефлона, этиленпропиленгидрина, нитрил каучука.

Эксплуатационные характеристики рабочей жидкости определялись согласно программе ускоренных испытаний ГП "Оргэнергогаз". Испытание рабочей жидкости проводилось в гидросистеме запорного крана Ду-400 отечественного производства. Гидросистема перед испытанием была промыта испытываемой жидкостью. В процессе испытаний проводился отбор проб рабочей жидкости для лабораторных исследований в соответствии ГОСТ 2517-85.

В таблице 4 приведены данные по физико-химическим свойствам, полученные в процессе испытаний, рабочей жидкости состава: 40% полиметилсилоксан марки ПМС-20р и 60% керосино-газойлевая фракция тяжелой нефти.

Таким образом из данных, приведенных в таблице 4, видно, что в процессе эксплуатации практически не происходит изменений физико-химических свойств, что является гарантией надежности работы системы гидропривода запорной арматуры газовых магистралей.

Анализ примеров и данных, приведенных в таблицах, позволяют сделать вывод о соответствии предложенного решения критерию "промышленная применимость".

Как видно из данных таблиц наилучшие характеристики, удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к рабочим жидкостям для гидросистем запорной арматуры газовых магистралей, имеют рабочие жидкости, полученные по примерам 2 4, 7 9. Они имеют значения вязкости при 20^oC 5,8 15,8 мм²/с, при минус 40^oC 54,5 120 мм²/с. Температуру застывания минус 70 74^oC и минус 95 98^oC. Жидкости не взаимодействуют с газовым конденсатом и уплотнительными материалами системы, имеют достаточно высокие смазывающие свойства (диаметр пятна износа на 4-х шариковой машине трения 038 0,5 мм). Указанные свойства рабочей жидкости обеспечили ресурс работы гидропривода кранов запорной арматуры 160 200 циклов переключений с одной заправки жидкости и быстродействие (продолжительность переключения) крана в течение 8 10 секунд.

Увеличение количества полиметилсилоксановой жидкости в композиции (см. пример 1, 6) приводит к ухудшению эксплуатационных свойств жидкости, снижаются смазывающие свойства (d_{пятна износа} 0,86 0,90 мм), падает ресурс работы гидропривода до 100 циклов, снижается быстродействие (продолжительность переключений возрастает до 11 12 секунд), что нарушает надежность работы автоматической системы управления гидропривода.

Увеличение количества фракции нефти в композиции (см. примеры 5, 10) приводит к повышению температуры застывания (минус 68 69^oC), что также ухудшает характеристики рабочей жидкости. При низкой температуре окружающей среды (ниже минус 45^oC) в жидкостях увеличивается значение вязкости, затрудняется процесс переключения крана, быстродействие снижается (продолжительность переключения возрастает до 12 18 секунд).

Использование в композиции полиметилсилоксановых жидкостей с низким значением вязкости (ниже 18 мм²/с) примеры 14, 15 приводит к увеличению температуры застывания до минус 56 58^oC, происходит взаимодействие с уплотнительными материалами системы, в частности, с резиной.

При использовании в композиции полиметилсилоксановых жидкостей со значениями вязкости выше 55 мм²/с (примеры 111, 12, 13) приводит к увеличению значений вязкости рабочей жидкости, снижению ресурса работы до 86 - 88 циклов переключений и увеличению продолжительности переключений до 30 секунд.

Анализ полученных результатов показывает, что предложенная жикость обладает новой совокупностью свойств и полученный результат не является следствием суммирования известных свойств компонентов предложенного состава. Описанный эффект отражает качественный и количественный скачок в изменении свойств, не прогнозируемый на основе имеющихся представлений и поэтому являющийся неожиданным.

Авторам неизвестны решения, содержащие признаки, сходные с отличительными признаками предложенного решения с достижением описанного технического результата. Все вышесказанное обеспечивает предложенному решению соответствие критерию "изобретательский уровень".

Литература
1. Освоение, монтаж, наладка и эксплуатация импортных кранов на магистральных газопроводах.

Научно-технический обзор. Серия: Транспорт и хранение газа. ВНИИГАЗПРОМ, Москва 1978, с.57. Г.В.Суховнин, Г.С.Грунтенко.

2. "Негорючие теплоносители и гидравлические жидкости" Справочное руководство, Ленинград, Химия, 1979, с.260. Сухотин А.М.

3. "Негорючие теплоносители и гидравлические жидкости" Справочное руководство, Ленинград, Химия, 1979, с.259. Сухотин А.М.

Формула изобретения

Рабочая жидкость для гидравлической системы газопроводов, содержащая полиметилсилоксановую жидкость, отличающаяся тем, что в качестве полиметилсилоксановой жидкости она содержит полиметилсилоксановую жидкость разветвленного или линейного строения с вязкостью 18 55 мм²/с и дополнительно фракцию тяжелой нефти, выкипающую при 180 315^oС, при следующем соотношении, мас.

Полиметилсилоксановая жидкость 40 60
Фракция тяжелой нефти 40 60с

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5