Термореактивные композиты. Технология КАРБУЛа

Инженерные полимеры, обладают при умеренных температурах эксплуатации (порядка 150 - 200 ºС) высокими показателями механических свойств. Кроме того, в подвижных соединениях в условиях сухого трения разрушаются в зоне контакта из-за термодеструкции. Эти обстоятельства ограничивают их применение в ряде осложненных мехпримесями и высокими температурами скважинных условий,   также как и других композитных материалов на термопластичных полимерных связующих.

Рефракторными свойствами, то есть сохранением при высоких температурах прочностных параметров, обладают некоторые композиционные материалы, имеющие керамические матрицы, а также углерод-углеродные композиции. Однако, ограничением широкого использования известных материалов с рефракторными свойствами является высокая стоимость их изготовления при существующих технологиях (как правило из «массива»), поскольку проблема формообразования, решается дорогостоящей механической обработкой.

В 2003 году специалистами ООО «РЕАМ-РТИ» инициативно была начата разработка технологии производства деталей с керамикоподобными свойствами на новых принципах.

На настоящий момент разработаны базовые технологии производства деталей с керамикоподобными свойствами, в том числе, для нефтепромыслового оборудования. В основе технологий   лежит использование углеродсодержащих полимеров, позволяющих на стадии формообразования получать эластичные изделия-«прекурсоры». Поэтому первоначально проект создания технологии был назван «ТвР» - Твердые Резины.

На рис. 1 показана особенность углеродных композитов – рефракторные свойства – сохранение прочностных параметров при повышении температур.

 

Рис. 1. Зависимость прочностных свойств углеродных композитов и алюминиевых сплавов от температуры.

С 2017 года технология «ТвР» и материалы, получаемые в процессе производства получили торговое название   «КАРБУЛа/CARBULä»,   и на сегодняшний день представлена   различными структурными материалами: например, углерод-углеродными, углерод-карбидными с различными сочетаниями ингредиентов, базовых связующих.

Схема названия материалов семейства КАРБУЛа

Пример: КАРБУЛ SiC РС   КК 20

Сокращенное название	Объяснение вариантов композиций
СС	Углерод-углерод
SiC	Углерод - карбид кремния
ВС	Углерод - базальт
GC	Углерод- стеклосферы
ALC	Углерод- алюминий
ТiC	Углерод - карбид титана
КК	Карбид кремния
К	Карбоксил Т-200
Б	Базальт
УВ	Углеродные волокна, тип В
УТ	Углеродные волокна, тип Т
ИГ	Искусственный графит
С	Стеклосферы
О	Диоксид кремния
Ш	Шунгит
КТ	Карбид титана
АЛ	Алюминевый порошок
КМ	Корундовые микросферы

1)         Семейство КАРБУЛа для всех исполнений   (не меняется)

2)         Структура базовой матрицы (латинскими буквами)

3)         Вид эластомерного полимера (определяется особыми требованиями к изделию)

4)         Основной компонент матрицы (кириллицей) *

5)         Массовая доля основного компонента матрицы по отношению к полимеру 1/10

Например, цифра 20 указывает, что в базовой матрице 200 массовых частей компонента SiC к 100 массовым частям полимера

*) приведенный перечень     наполнителей не ограничивает структуры базовых матриц

На рис. 2 приведены примеры изготовления зарубежных изделий насосной техники из углеродных композитов и по технологии МИМ (вариант ПИМ- технологии).

Рис. 2 Примеры изготовления зарубежных изделий насосной техники из углеродных композитов и по технологии МИМ (вариант ПИМ- технологии), (а, б США) и (в) по российской технологии МИМ (вариант ПИМтехнологии)

Как показывают предварительные испытания, изделия, изготовленные по технологии КАРБУЛа, обладают рядом преимуществ   по сравнению рабочими органами из металлов по традиционным технологиям и с изделиями, изготовленными по ПИМ-технологии – из металлических/керамических порошков.

При этом основными целями являются придание изделию следующих характеристик:

- получение изделий сложных форм без механической обработки (с минимизацией необходимой размерной обработки),

- эксплуатационная теплостойкость до 300 °С (кратковременно 340 °С),

- теплопроводность в перспективе до 4 Вт/м ^. К

- линейное тепловое расширение в диапазоне 8 - 90

- химическая стойкость в пределах рН 1 - 14,

- гидрофобность поверхности (низкая способность к отложению солей, угол краевого смачивания водой и растворами солей более 90°),

- абразивостойкость,

- возможность   эксплуатации в условиях сухого трения,

- приемлемую для потребителя изделий стоимость.

Технологии «КАРБУЛа », позволяют изготавливать изделия:

- с габаритными размерами от 0,5 до 500 мм и толщиной стенок от 0,2 до 20 мм.

- со сложной пространственной формой (например, рабочее колесо центробежного насоса, ротор компрессора) и свести к минимуму, а в ряде случаев   исключить, финишную размерную обработку.

В ходе научно-исследовательские работ изготовлен ряд опытных образцов изделий, лабораторные испытания которых дали положительные результаты. Установлены базовые критерии технологических переделов, позволяющие изготавливать и поставлять изделия типа «рабочее колесо» ступени центробежного насоса в ценовом диапазоне изделий из «нирезиста». Накопленный опыт позволяет приступить к изготовлению пилотных партий деталей для насосной техники и их апробированию в условиях ОПИ.

На рис. 3 представлены опытные образцы:

рабочее колесо центробежного насоса и поршень для двигателя внутреннего сгорания

Изделия, выполненные по технологии КАРБУЛ, как видно из табл. 1, обладают рядом преимуществ не только по сравнению традиционными металлическими деталями, но и с изделиями, изготовленными по ПИМ-технологии, а именно: способны выдерживать сухое трение, имеют меньшие ограничения по габаритам, меньшую размерную усадку, и, кроме того, доступнее по цене.

Таблица №1 «СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕХНОЛОГИЙ»

Табл. 1
БАЗОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ НЕФТЕПРОГРУЖНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
	Сталь				керамика	С-С/Si-C	Алюм. сплавы
Характеристика	Мех. обработка	Порошковая металлургия	Литье	MIM (PIM) - технология		КАРБУЛа-технология
Вес (г)	1 - 10000	5 – 2500	1 – 1000	0.01 - 200		0.001 - 2000	-
Мин. Допуск, (%)	< 0.1	0.1	0.5 – 1.0	0.3 – 0.5	0.3 – 0.5	< 0.1	-
Плотность (%)	100	92	99	96 - 100	**	**	100 – 92 **
Пористость, %	0	8	1	4 - 0	4 - 1	3 - 0	0 – 8 **
Удельная плотность, г/см3	7,8 – 7,9	=	=	=	2,5 – 3,6	1,3 -1,8	2,7 – 2,8
Прочность (%)	100	70	> 95	> 96	=	С-С = Al	Al = C-C
Толщина стенки (мм)	1 - 100	2 – 20	2 – 20	0.5 - 10	0.5 - 10	0.2 - 10	-
Шероховатость поверхности Ra(мкм)	0.2 - 4	2 – 5	5	1 - 2	1 - 2	0.2 - 1	-
Твердость, HRC	25 - 32	25 - 32	25 - 32	25 - 37	> 60 - *)	62 - 77	> 2
Стоимость изделия, %	100	100 -130	70	200 - 60	800 - 2000	100 - 300	300
Агрессивостойкость	низкая	низкая	низкая	низкая	высокая	очень высокая	низкая
Масса изделия, %	100	92	99	96 -100	30 - 45	12 - 14	20 - 22
Относительная стоимость изделия $/kg	25	25 - 33	17,5	45 - 300	200 – 500	100 – 300	150
Усадка, %	**	**	**	До 26	До 26	0,8– 4,5 ***	**
Коэффициент теплового расширения, a х10-6	11- 13 (17)	=	=	11 - 18	9 - 11	5- 90 ***	22 -25
Способность к сухому трению	нет	нет	нет	нет	нет	есть	нет

* твердость керамики (стекла);

** все виды технологий получения изделий;

*** зависит от вида базовой матрицы и режима отверждения (5-17 – для ряда матриц SiC).

C 2016 года к исследованиям свойств керамикоподобных материалов семейства КРАБУЛ подключился НИТУ «МИСиС». Работа выполняется при поддержке федеральной целевой программы исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы, идентификатор ПНИЭР RFMEFI57815X0133

Таблица №2 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ДЛЯ СЕМЕЙСТВ КАРБУЛ

Варианты композиций	Прочность на разрыв, МПа	Относит. удл., %	Сжатие, МПа	Изгиб, МПа	Ударная прочность, кгс см/см2	Плотность, г/см3
Карбул С-С	до 95	2 - 4	до 300	до 120	до 10	1,2 … 1,8
Карбул Si-C	до 55	4 - 6	до 200	до 100	до 8	1,2 … 1,6

 ПРИМЕР ЛАБОРАТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ КОНКРЕТНЫХ МАТЕРИАЛОВ СЕМЕЙСТВА КАРБУЛ

Варианты композиций	Предел прочности при растяже-нии σ, МПа	Изгибающие напряжения при разрушении     σ, МПа	Максимальное напряжение при сжатии     σ, МПа	Ударная вязкость по Шарпи а,     кДж/м2	Коэффициент Теплопроводности при 300 оС λ, Вт/м К	Плотность,         г/см3	Твердость       Шор Д	Удельное объемное электрическое сопротивление материала,   ρv, Ом*м
КАРБУЛ СС РС К-30	до 95	до 120	до 200	6,76	0,47	1,8-1,9	95	1,8*1014
КАРБУЛ СС РС ТУВ-2,5	до 80	до 110	до 250	4,61	0,38	1,3-1,4	92	4,2*107
КАРБУЛ SiC РС КК-29	до 55	до 85	до 150	2,85	1,16	1,9-2,1	94	8,08*107
КАРБУЛ ВС РС Б-10	до 60	до 95	до 200	3,14	0,54	1,8-1,9	90	1,36*1014
КАРБУЛ ALC PC АЛО-25	39,7	55	180	2,55	1,1	1,87	92	6,8*1011

В ходе научно-исследовательские работ изготовлен ряд опытных образцов изделий, лабораторные испытания которых дали положительные результаты. Установлены базовые критерии технологических переделов, позволяющие изготавливать и поставлять изделия типа «рабочее колесо» ступени центробежного насоса в ценовом диапазоне изделий из «нирезиста». Накопленный опыт позволяет приступить к изготовлению пилотных партий деталей для насосной техники и их апробированию в условиях ОПИ.

Проводятся испытания материала Карбул ТiС РС Т-75В (использование сухим смазок типа нитрида бора в ре­цептуре совместно с Карбидом титана) для применения его в качестве материала опорных подшипников.

Твердость материала: 97-98 по Шор Д. Плотность ма­териала: 3,2 г/см³.

Трибологические свойства материалов Карбул.

Результаты испытаний одноимённых пар трения по схеме "диск-диск" приведены на рис. 4 и рис. 5.

Условия проведения испытаний:

-  усилие прижатия дисков - 100 Н;

-  удельное давление - 0,066 МПа;

-  частота вращение вала - 275 об/мин;

-  скорость скольжения (по среднему диаметру) - 0,5 м/с;

-  длительность испытания - 10 минут.

 

Абразивостойкость.

Проведенные в АО «НОВОМЕТ-Пермь» в 2012 году сравнительные испытания абразивной стойкости рабочих колес (РК), выполненных из материала «КАРБУЛ C-C» и порошка ЖГр1Д15 (рис. 6, а), продемонстрировали - у РК из «Карбул C-C» наблюдается гидроабразивный износ входных кромок рабочих колес, вызванный вихрем на повороте потока, и частичное повреждение вихревого венца и верхнего диска, в то время как у рабочих колес из ЖГр1Д15 подобных разрушений нет. В то же время подтверждено, что абразивная стойкость материала «Карбул C-C» по сравнению с композициями из полифениленсульфида (PPS) выше в 5 раз.

Совместно с ООО «НПК «ЛЕПСЕ-Нефтемаш» изготовлен   героторный насос (ГН) для которого были изготовлены опытные детали из материала «КАРБУЛ SiC» с   содержаниемя 30% карбида кремния.

Испытания в лаборатории «ЛЕПСЕ-Нефтемаша»   на абразивную стойкость неподвижных крышек этого насоса, изготовленные из композиции «КАРБУЛ Si-C», взаимодействующих с внутренними роторами из традиционных высокопрочных сталей показали - износа, эквивалентного металлу, у   крышек из композиции «КАРБУЛ Si-C» не наблюдается. (рис. 6, б).

Рис.6.а Сравнительные испытания абразивной стойкости рабочих колес (РК), выполненных из материала «КАРБУЛ C-C» и порошка ЖГр1Д15

Рис.6.б Испытания в лаборатории «ЛЕПСЕ-Нефтемаша»   на абразивную стойкость неподвижных крышек этого насоса, изготовленные из композиции «КАРБУЛ Si-C», взаимодействующих с внутренними роторами из традиционных высокопрочных сталей показали - износа, эквивалентного металлу, у   крышек из композиции «КАРБУЛ Si-C» не наблюдается.

Сравнительные испытания в абразивной среде образцов материалов системы КАРБУЛ С-С и стеклонаполненной марки полифениленсульфида «Фортрон», выполненные в 2011 году в АО «НОВОМЕТ» показывают, что скорости изнашивания втулки рабочего колеса (ВРК) из материалов КАРБУЛ С-С приблизительно в 5 раз ниже, чем у ВРК из материала «Фортрон». При этом в условиях сухого трения материал «Фортрон» не работоспособен из-за термодеструкции. На образце ВРК из материалов КАРБУЛ С-С происходит поверхностная графитизация, благодаря чему работает трибосопряжение сталь-графит.

ТЕКУЩИЕ ЗАДАЧИ И ЦЕЛИ

В 2017 году осваивается изготовление неподвижных крышек насоса ГН из керамикоподобных композиций КАРБУЛ SiC РС КК-29 и КАРБУЛ SiC РС КК-60 с высокой абразивной стойкостью (рис.7).

Рис.7 Крышка героторного насоса из керамикоподобной композиции КАРБУЛ SiC РС КК-60

Изготавливаются рабочие ступени центробежных насосов малой дебитности для проведения ОПИ (рис. 8).

Рис.8. Рабочая ступень центробежного насоса малой дебитности (25 м3/сут.)

Изготавливаются подшипники скольжения возвратно-поступательного движения (рис.9) в виде втулки (деталь РР.052.204.211).

Рис.9. Втулка ПЭД (деталь РР.052.204.211)

Эффективное применение технологии КАРБУЛа в нефтедобывающем оборудовании сдерживается необходимостью проведения широких эксплуатационных испытаний оборудования в разнообразных скважинных условиях, для чего необходим выбор номенклатуры востребованных на рынке изделий с учетом следующего обстоятельства:

любое сервисное предприятие, любой производитель оборудования пытается сократить номенклатуру изделий, так как рост номенклатуры всегда сопровождается рядом проблем, связанных с логистикой, тендерными закупками и т.д.

Рекомендуемые области применения изделий производимых по технологии КАРБУЛа:

Насосное и компрессорное оборудование.

Детали поршневых и газотурбинных двигателей.

Подшипники скольжения вращательного и возвратно-поступательного движения.

Детали оборудования химического и атомного машиностроения.

Винты для судов.

Изделия специального назначения.

В этих обстоятельствах ООО «РЕАМ-РТИ»   рассматривает   любые предложения по использованию технологии КАРБУЛа в различных деталях с целью в дальнейшем совместно с заказчиком сформировать и реализовать программы НИОКР, подготовки и освоения производства изделий.