СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕЙ КОМПОЗИЦИИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК C09K3/10 

Изобретение относится к сырьевым смесям и может быть использовано для изготовления герметизирующих композиций, предназначенных для герметизации соединений между поверхностями металлоконструкций, подвергающихся воздействию высоких температур и динамических нагрузок при избыточном давлении рабочей среды, в частности для герметизации фланцевых разъемных соединений корпусов и трубопроводной арматуры турбоагрегатов компрессорных станций по перекачке природного газа.

Известна сырьевая смесь, включающая, мас.%: высокотемпературное силиконовое масло, например диметилполисилоксан 19-23; теплопроводный оксид белого металла, например оксид цинка 20-34; частицы инертного наполнителя, например мел 20-34; гидратированный оксид щелочного металла, например гидратированный известняк 22-35. Смесь предназначена для изготовления герметизирующей композиции, используемой для герметизации стыков и зазоров между поверхностями металлоконструкций, подвергающихся высокотемпературному нагреванию, например стыков и зазоров между крышками и створками коксовых печей [патент США 4092192, кл. В 23 В 35/00, 1978].

Недостатком данной сырьевой смеси является то, что изготовленная из нее герметизирующая композиция при нагревании в процессе эксплуатации в течение нескольких часов постепенно высыхает, охрупчивается и теряет адгезию. Такая композиция требует частой замены, что усложняет ее применение в металлоконструкциях с длительными циклами работы, снижая их надежность.

Известна сырьевая смесь, содержащая глину и/или бентонит, графитовую пудру, щелочной полифосфат и 80-99,5% органических частиц, например бумаги, полисахаридов, натуральной или синтетической резины, карбоксиметилцеллюлозы и др. , и/или неорганических частиц, например углерода, карбидов, боридов, нитридов, силицидов и/или сульфидов, и/или безводных тугоплавких оксидов, и/или гидратированных оксидов, например диоксида кремния, оксида алюминия, оксида магния, шамота или их смесей. К указанной сухой смеси добавляют 20-30% воды и получают пастообразную массу, которую готовят непосредственно перед применением и используют в качестве прокладки для герметизации соединений между поверхностями, подвергающимися нагреванию и давлению рабочей среды, например, в литейных формах и ковшах, контейнерах и устройствах для улавливания горячих газов, пыли и т.д. [ЕР 0267849, кл. С 09 К 3/10, 1988].

Недостатки данной смеси заключаются в том, что использование в ней частиц органических материалов и гидратированных оксидов, разлагающихся при нагревании соединения с выделением газо- и парообразных веществ, может привести к образованию в герметизирующем слое зон со сквозной пористостью, вызывающих разгерметизацию соединения в локальных и трудно контролируемых местах. Значительное адгезионное сцепление герметизирующего слоя с поверхностями соединяемых металлоконструкций усложняет разборку соединения и замену негерметичного слоя. Удаление этого слоя механическим путем требует дополнительных трудозатрат и может привести к повреждениям металлоконструкций (сколам, раковинам, задирам и т. п.) на соединяемых поверхностях.

Наиболее близкой к заявляемой сырьевой смеси по решаемой технической задаче (прототипом) является смесь, включающая глину, неорганический и органический наполнители, кремнийсодержащее связующее и воду, которая в качестве неорганического наполнителя содержит смесь порошков кианитового концентрата, глинозема и алюминиевой пудры, в качестве органического наполнителя композиция содержит глицерин, а в качестве связующего - кремнезоль при следующем соотношении компонентов, мас.%: глина 4-6, кианитовый концентрат 20-25, глинозем 15-20, алюминиевая пудра 5-8, глицерин 0,5-1,5, вода 2,5-3,5, кремнезоль остальное. Для приготовления герметизирующей композиции в виде пасты, порошкообразную смесь компонентов смешивают с кремнезолем непосредственно перед употреблением пасты [патент России 2108358, кл. С 09 К 3/10, заявл. 12.01.1996].

Недостатки известной сырьевой смеси заключаются в следующем.

Для изготовления смеси требуются такие достаточно дорогие компоненты, как кианитовый концентрат и алюминиевая пудра. Приготовление методом сухого измельчения порошка кианитового концентрата требует использования энергоемкого оборудования - вибромельницы и проведения контроля дисперсности получаемого порошка с помощью анализатора, что усложняет и удорожает технологический процесс изготовления сырьевой смеси. При термоциклировании герметизирующей композиции, изготовленной из данной сырьевой смеси, в ней происходят необратимые структурные изменения, приводящие к снижению термостойкости композиции и, как следствие, к появлению местных протечек и потере герметичности узлов. В результате эксплуатационная надежность герметизирующей композиции резко снижается. Использование в качестве связующего компонента кремнезоля в сочетании с остальными наполнителями приводит к относительно небольшому сроку живучести (не более 1 часа) готовой композиции, так как происходит ее затвердевание. Это затрудняет ее применение при нанесении на поверхности достаточно крупногабаритных разъемов, например таких, как разъемы газотурбинных установок, когда для проведения технологических работ может потребоваться несколько часов. Кроме того, необходимость использования кремнезоля только при плюсовых температурах (так как при замораживании он необратимо коагулирует) усложняет транспортировку сырьевой смеси, а также усложняет приготовление и использование герметизирующей композиции, особенно в полевых условиях.

Задачей изобретения является удешевление сырьевой смеси, упрощение процесса ее изготовления и повышение эксплуатационных характеристик герметизирующей композиции, изготавливаемой из сырьевой смеси.

Достигаемый технический результат заключается в обеспечении для изготавливаемой герметизирующей композиции существенно более высоких характеристик по термостойкости, эксплуатационной надежности и сроку живучести.

Поставленная задача решается тем, что сырьевая смесь, включающая глину, неорганический наполнитель и кремнийсодержащее связующее, в качестве неорганического наполнителя содержит вспученный вермикулит, а в качестве кремнийсодержащего связующего - жидкое стекло при следующем соотношении компонентов, мас.%: глина 15-25, вспученный вермикулит 45-53, жидкое стекло 28-34.

Или техническая задача решается тем, что сырьевая смесь для изготовления герметизирующей композиции, включающая глину, неорганический наполнитель и кремнийсодержащее связующее, в качестве неорганического наполнителя содержит вспученный вермикулит, а в качестве кремнийсодержащего связующего - смесь жидкого стекла с 40-50% вспученного вермикулита (на сухое вещество) при следующем соотношении компонентов, мас.%: глина 20-26, вспученный вермикулит 34-42, смесь жидкого стекла с 40-50% вспученного вермикулита (на сухое вещество) 34-42.

В предлагаемых вариантах сырьевой смеси глина выполняет функции пластификатора, в частности, может быть использована глина латнинская марки ЛТ-1 ПК (ТУ 14-8-142-75). Химический состав этой глины, мас.%: SiO₂ 70-75, Al₂О₃ 20-24, TiO₂ 1-1,5, Fe₂O₃ 1-1,5). Функции пластификатора могут выполнять также и другие пластичные глины (бентонитовые, дружковская ДН-1 ПК, глины для буровых растворов и др.). Такие глины по содержанию основных компонентов (SiO₂, Аl₂О₃, TiO₂, Fe₂О₃) аналогичны латнинской. Содержание любой из таких глин (мас. %) в заявленных вариантах сырьевой смеси обеспечивает решение поставленной задачи и достижение указанного технического результата. Использование латнинской глины обусловлено ее дешевизной и более широким распространением в промышленности, чем других аналогов.

При изготовлении герметизирующей композиции глина взаимодействует с водой, добавляемой к сырьевой смеси, и обеспечивает высокую пластичность композиции при ее нанесении на соединяемые поверхности, в том числе и на вертикальные разъемы корпусов турбоагрегатов, фланцевые разъемы выхлопных трактов турбин и т.д. Слой композиции имеет высокую однородность по толщине и объему, хорошо смачивает поверхности, предотвращая образование пустот между ними. Использование в качестве неорганического наполнителя вспученного вермикулита (ГОСТ 12865-67) обеспечивает повышенную термостойкость приготавливаемой композиции в условиях термоциклирования вследствие высокой структурной стабильности вермикулита, которую он приобретает после проведения процесса вспучивания при температуре порядка 900^oС и затем сохраняет в широком диапазоне температур - от комнатных до 1100-1200^oС. Кроме того, вспученный вермикулит, обладая слоистой структурой с развитой поверхностью, хорошо удерживает воду в композиции, способствуя увеличению срока живучести композиции. Он свободно отдает ее при повышении температуры, благоприятно влияя на образование структуры с закрытой пористостью, обладающей демпфирующими свойствами, что обеспечивает повышенную эксплуатационную надежность композиции в условиях вибрационных нагрузок, имеющих место при работе турбин, пульсации газовых трактов и т.д. Жидкое стекло (ГОСТ 13078-81) или смесь жидкого стекла с 40-50% вспученного вермикулита (на сухое вещество) в составе сырьевой смеси играют роль связующего компонента как на стадии приготовления герметизирующей пасты, так и при рабочих температурах, частично образуя расплав силиката натрия, который заполняет поры материала, повышая его герметизирующие свойства. Сухая смесь жидкого стекла с вермикулитом при затворении ее водой образует объемное связующее, связывая зерна наполнителя и глины. Ее использование позволяет хранить и транспортировать сырьевую смесь в виде сухого порошкообразного вещества при отрицательных температурах.

Приготовление сырьевой смеси включает стандартные операции по измельчению исходного вспученного вермикулита и смешению его с жидким стеклом и глиной. Полученную сырьевую смесь расфасовывают и отправляют в виде одноупаковочного состава потребителю, где готовят герметизирующую композицию в виде пасты путем смешивания сырьевой смеси с водой непосредственно перед использованием пасты.

Примеры конкретного выполнения.

По первому варианту:
Пример 1
Приготавливают сырьевую смесь состава 1 (см. табл. 1). Вспученный вермикулит измельчают до прохождения через сито с размером отверстий 0,28 мм и в количестве 44 мас.% загружают в Z-образный смеситель, куда порциями подают жидкое стекло в количестве 42 мас.%, обеспечивая равномерное распределение жидкого стекла по объему загрузки. Перемешивание ведут до получения однородной массы, добавляют к ней глину латнинскую в количестве 14 мас.% и продолжают перемешивание в течение 10-15 мин до получения однородной консистенции смеси. Полученную сырьевую смесь выгружают, взвешивают и расфасовывают в тару.

Пример 2
Аналогично примеру 1 приготавливают сырьевую смесь состава 2 (см. табл. 1). Вспученный вермикулит измельчают до прохождения через сито с размером отверстий 0,28 мм и в количестве 49 мас.% загружают в Z-образный смеситель, куда порциями подают жидкое стекло в количестве 31 мас.%, обеспечивая равномерное распределение жидкого стекла по объему загрузки. Перемешивание ведут до получения однородной массы, добавляют к ней глину латнинскую в количестве 20 мас. % и продолжают перемешивание в течение 10-15 мин до получения однородной консистенции смеси. Полученную сырьевую смесь выгружают, взвешивают и расфасовывают в тару.

Пример 3
Аналогично примеру 1 приготавливают сырьевую смесь состава 3 (см. табл. 1). Вспученный вермикулит измельчают до прохождения через сито с размером отверстий 0,28 мм и в количестве 54 мас.% загружают в Z-образный смеситель, куда порциями подают жидкое стекло в количестве 20 мас.%, обеспечивая равномерное распределение жидкого стекла по объему загрузки. Перемешивание ведут до получения однородной массы, добавляют к ней глину латнинскую в количестве 26 мас.% и продолжают перемешивание в течение 10-15 мин до получения однородной консистенции смеси. Полученную сырьевую смесь выгружают, взвешивают и расфасовывают в тару.

По второму варианту:
Пример 4
Приготавливают сырьевую смесь состава 4 (см. табл. 1).

Вспученный вермикулит в количестве 31-34 мас.% загружают в Z-образный смеситель, сюда же порциями подают жидкое стекло в количестве 69-66 мас.%, обеспечивая его равномерное распределение по объему загрузки. После полной загрузки жидкого стекла продолжают перемешивание в течение 10-15 минут до получения однородной массы. Затем массу сушат, измельчают, просеивают через сито с размерами отверстий 0,045 мм и получают сухое связующее, в котором содержание вермикулита составляет 40-50 мас.%. Окончательное смешение всех порошковых компонентов ведут в Z-образном смесителе аналогично примерам 1-3 или в вальцовом смесителе. В смеситель загружают 33 мас.% предварительно измельченного вспученного вермикулита, 19 мас.% глины латнинской и 48 мас.% сухого связующего. Перемешивают в течение 10-15 мин до получения однородной консистенции смеси. Полученную сырьевую смесь выгружают, взвешивают и расфасовывают в тару.

Пример 5
Приготавливают сырьевую смесь состава 5 (см. табл. 1). Приготовление сухого связующего ведут аналогично примеру 4. Окончательное смешение всех порошковых компонентов ведут в Z-образном смесителе аналогично примерам 1-3 или в вальцовом смесителе. В смеситель загружают 38 мас.% предварительно измельченного вспученного вермикулита, 23 мас.% глины латнинской и 39 мас.% сухого связующего. Перемешивают в течение 10-15 мин до получения однородной консистенции смеси. Полученную сырьевую смесь выгружают, взвешивают и расфасовывают в тару.

Пример 6
Приготавливают сырьевую смесь состава 6 (см. табл. 1). Приготовление сухого связующего ведут аналогично примеру 4. Окончательное смешение всех порошковых компонентов ведут в Z-образном смесителе аналогично примерам 1-3 или в вальцовом смесителе. В смеситель загружают 43 мас.% предварительно измельченного вспученного вермикулита, 27 мас.% глины латнинской и 30 мас.% сухого связующего. Перемешивают в течение 10-15 мин до получения однородной консистенции смеси. Полученную сырьевую смесь выгружают, взвешивают и расфасовывают в тару.

Герметизирующую композицию, изготовленную на основе указанных составов по первому и второму вариантам, наносили на поверхность фланцевых разъемных соединений, предназначенных для работы с высокотемпературными газообразными рабочими телами, и испытывали в одинаковых условиях.

Испытания проводили по следующим режимам: температура 800^oС, время поднятия температуры 25-30 мин, давление газа 0,4 МПа, вибронагрузки - частота колебаний 80 Гц, амплитуда колебаний 0,06 мм. Эти режимы характерны для работы газотурбинных установок по перекачке природного газа. Определяли адгезию композиции к металлической поверхности разъема фланцевого соединения после его эксплуатации при вышеуказанных параметрах в течение 2500 часов, что составляет в среднем межремонтный период газотурбинной установки, после которого отработавшая композиция может быть удалена и заменена новой. Вибростойкость композиции оценивали по наличию разрушений и появлению трещин на образцах, термообработанных при 800^oС. Герметичность композиции оценивали по значению коэффициента герметичности фланцевого разъемного соединения, максимально допустимое значение которого равно 1, при степени герметизации его объема, допустимой по техническим условиям эксплуатации газотурбинной установки.

Эксплуатационные свойства герметизирующей композиции приведены в табл. 2. Показано, что герметизирующая композиция с составами 1, 3, 4, 6, в которых содержание компонентов находится за заявленными пределами, указанными в формуле изобретения, не обладает требуемыми сроками живучести, герметичностью, стойкостью к вибрации и термостойкостью при эксплуатации с указанными режимами.

Сырьевая смесь в заявленных пределах (составы 2 и 5) позволяет изготавливать герметизирующую композицию, обладающую в сравнении с прототипом существенно более высокими эксплутационными свойствами. При разборке остывших фланцевых соединений отработавшая композиция легко отделяется в виде пластины от металлических поверхностей и не приводит к их механическим повреждениям.

Из примеров осуществления видно, что при изготовлении предлагаемой сырьевой смеси и изготовлении из нее герметизирующей композиции с составами по двум вариантам применяются достаточно простые операции и используется стандартное малоэнергоемкое технологическое оборудование.

Сырьевую смесь можно транспортировать на место потребления при положительных и отрицательных температурах без потери ее свойств и ухудшения свойств изготавливаемой из нее герметизирующей композиции. Все исходные компоненты сырьевой смеси недефицитные и выпускаются промышленностью. Герметизирующая композиция, изготавливаемая из сырьевой смеси с составами по двум вариантам, является экологически безвредной и относится к несгораемым материалам.

Сырьевая смесь для изготовления герметизирующей композиции и ее вариант, включающая в свой состав глину, вспученный вермикулит и жидкое стекло натриевое в качестве связующего или смесь жидкого стекла натриевого с 40-50% вспученного вермикулита. Техническим результатом является повышение эксплуатационных свойств, а именно срока живучести, герметичности, стойкости к вибрации и термостойкости при избыточном давлении рабочей среды. 2 с.п.ф-лы, 2 табл.

1. Сырьевая смесь для изготовления герметизирующей композиции, включающая глину, неорганический наполнитель и кремнийсодержащее связующее, отличающаяся тем, что в качестве неорганического наполнителя она содержит вспученный вермикулит, а в качестве кремнийсодержащего связующего - жидкое стекло натриевое при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Глина - 15 - 25
Вспученный вермикулит - 45 - 53
Жидкое стекло натриевое - 28 - 34
2. Сырьевая смесь для изготовления герметизирующей композиции, включающая глину, неорганический наполнитель и кремнийсодержащее связующее, отличающаяся тем, что в качестве неорганического наполнителя она содержит вспученный вермикулит, а в качестве кремнийсодержащего связующего - смесь жидкого стекла натриевого с 40-50% вспученного вермикулита (на сухое вещество) при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Глина - 20 - 26
Вспученный вермикулит - 34 - 42
Смесь жидкого стекла натриевого с 40-50% вспученного вермикулита (на сухое вещество) - 34 - 42