РАБОЧАЯ ЖИДКОСТЬ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ Российский патент 2010 года по МПК C10M171/02 C10M107/50 C10M101/02 C10N40/08 

Изобретение относится к рабочим жидкостям для гидросистем, в т.ч. запорной арматуры магистральных газопроводов и нефтепроводов.

К рабочим жидкостям указанного назначения предъявляются требования, обусловленные сложными условиями их эксплуатации, а именно: жидкости должны сохранять работоспособность в диапазоне температур от минус 70 до плюс 70°С, стабильность в течение всего срока хранения и эксплуатации, должны быть инертны к материалам гидросистем, обладать хорошими смазывающими свойствами и не проявлять токсического воздействия.

Широкое распространение в промышленности получили гидравлические жидкости на основе товарных фракций нефти и минеральных масел из-за их доступности и целого комплекса положительных свойств - хорошей смазывающей способности, совместимости с различными присадками и т.д. К недостаткам этой группы продуктов можно отнести их склонность к окислению, высокую зависимость вязкости от температуры, растворяющую способность по отношению к неметаллическим материалам гидросистем (прокладкам и уплотнениям), летучесть.

Известна гидравлическая жидкость для гидросистем кранов магистральных газопроводов (Авторское свидетельство СССР №721465 от 29.06.1973) на основе минерального масла, содержащая 2,6 дитрет-бутил-4-метилфенол, загущающую присадку и антраниловую кислоту. По своим техническим характеристикам жидкость не обеспечивает устойчивой работы кранов более 6 месяцев при температуре окружающей среды ниже минус 55°С. При низких значениях температуры резко возрастает значение вязкости, увеличивается механическая нагрузка и продолжительность переключения запорных кранов газовых магистралей.

Из числа синтетических жидкостей широкое распространение получили полидиметилсилоксановые жидкости линейной структуры, обладающие малой зависимостью вязкости от температуры и низкими температурами застывания.

Недостатком полидиметилсилоксановых жидкостей является их неудовлетворительная смазывающая способность по отношению к парам сталь - сталь. В большинстве случаев значительно уступает смазывающей способности нефтяных масел. Введение же поверхностно-активных веществ для улучшения смазывающих свойств существенно затруднено из-за плохой их совместимости с полидиметилсилоксанами.

Устранение вышеперечисленных недостатков при сохранении высоких эксплуатационных свойств гидравлических жидкостей может быть достигнуто компаундированием нефтяных фракций с полидиметилсилоксанами.

Большинство из известных нефтяных фракций несовместимо с полидиметилсилоксановыми жидкостями. Единственной нефтяной фракцией, хорошо совместимой с полидиметилсилоксанами, являлась керосиногазойлевая фракция, производимая при переработке нефти Ярегского месторождения Республики Коми.

Известна рабочая жидкость (Патент РФ №20795231997) для гидравлической системы газопроводов, производимая в соответствии с ТУ 6-05-11687721-97, представляющая собой смесь полидиметилсилоксановой жидкости ПМС-20 или ПМС-20р и керосиногазойлевой фракции нефти Ярегского месторождения Республики Коми, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Полидиметилсилоксановая жидкость 40-60 Фракция нефти 60-40

Жидкость обладает хорошими техническими характеристиками. Однако практическая эксплуатация рабочей жидкости выявила ряд ее недостатков:

- появление кристаллической фазы при длительном воздействии низких температур (при минус 50°С в течение 20 часов);

- проявление кислотности продукта в процессе эксплуатации;

- ограниченный диапазон вязкости жидкости вследствие пониженной вязкости компонентов, что ограничивает ее применение.

В результате воздействия этих факторов в процессе длительной эксплуатации (через 3-6 месяцев) наблюдается забивка гидропривода запорной арматуры, снижение надежности и быстродействия системы автоматического управления гидроприводом.

Известна жидкость ПМС-20к (Патент РФ №2184770, 2002), представляющая смесь полидиметилсилоксановой жидкости, производимой в соответствии с требованиями ГОСТ 13032-77 или ТУ 6-05-116-87721-022-97, и керосино-газойлевой фракции нефти Ярегского месторождения (Республика Коми), производимой в соответствии с требованиями ТУ 38.00145-87, и присадки ω₁ω¹-гексаметил-метил(2,6-дитрет-бутил-4-метилфенокси)олигодиметилсилоксана, или смолы АО-80, взятых в соотношении, (мас.%):

Полиметилсилоксановая жидкость 40-60 Присадка 0,05-3,0 Смола АО-80 1-5 Керосиногазойлевая фракция нефти   Ярегского месторождения до 100

Однако указанная жидкость обладает невысокими смазывающими свойствами, что приводило к заклиниванию трущихся пар «сталь по стали», а также возможностью получения ограниченного ассортимента по показателю «вязкость» рабочих жидкостей. Кроме того, по данному составу не представляется возможным получить жидкости с вязкостью, аналогичной широко применяемым маслам, что существенно ограничивает возможности жидкостей в основной массе гидросистем.

Наиболее близкой является рабочая жидкость для гидравлических систем газопроводов, включающая полиметилсилоксановую жидкость линейного или разветвленного строения, фракцию нефти с температурой кипения 165-315°С и органическую добавку, представляющую собой высококипящую фракцию нефти с температурой кипения 320-352°С (Патент РФ №2285717, 2005). Жидкость обладает высокими эксплуатационными характеристиками, однако широкое применение ее ограничено низкой вязкостью. Жидкость, получаемую по прототипу, не представляется возможным применять в гидросистемах, где допускается использование только масел с вязкостью не менее 10 мм²/с при 50°С (взамен масел ВМГЗ, АМГ-10 и др.).

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и быстродействия систем автоматического управления гидроприводами различных конструкций и назначения благодаря высоким реологическим и смазывающим свойствам (до 0,38 по предлагаемому изобретению и до 0,42 по прототипу), обеспечение высоких эксплуатационных характеристик рабочих жидкостей для гидравлических систем в любой климатической зоне России (от минус 70 до плюс 70°С) и при повышенных температурах эксплуатации (до 130°С), стабильная эксплуатация систем управления без заклинивания рабочих механизмов управления, забивок, коррозии и слома, а также возможность получения рабочих жидкостей с широким диапазоном вязкости для гидросистем различных типов.

Указанный результат достигается тем, что в качестве рабочей жидкости используются композиции на основе полиметилсилоксановых жидкостей с широким диапазоном вязкостей (от 5 до 200 мм²/с) с фракциями нефти 3-15 мм²/с при температуре 20°С Троицко-Анастасиевского месторождения с температурой кипения от 165 до 370°С или с низкозастывающей минеральной основой (например, масло ВГ), вырабатываемой посредством гидрокаталитического процесса при следующих соотношениях компонентов (мас.%):

Полиметилсилоксановая жидкость 27-60 Фракция нефти или   низкозастывающая минеральная основа 40-73

Отличительной особенностью изобретения является:

- использование полиметилсилоксановых жидкостей с широким диапазоном вязкости (от 5 до 200 мм²/с);

- использование нескольких фракций тяжелой нефти (с температурой кипения от 165 до 370°С);

- использование в качестве компонента низкозастывающей минеральной основы, вырабатываемой посредством гидрокаталитического процесса;

- более широкий диапазон соотношений компонентов.

Использование различных марок полиметилсилоксановых жидкостей, как и различных нефтяных фракций, позволяет варьировать вязкостные свойства композиций в широких пределах (от 6,96 сст до 24,0 сст при 20°С), причем композиции не расслаиваются при температурах до -60°С ÷ -70°С.

Авторам не известно аналогичное или близкое техническое решение, обеспечивающее возможность получения жидкостей для гидросистем на основе полидиметилсилоксановых жидкостей и фракций нефти, а также обеспечивающее надежность и длительный ресурс работы гидросистем, в частности запорной арматуры газовых магистралей.

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

Характеристика компонентов рабочей жидкости:

1. Полиметилсилоксановые жидкости:

Значение вязкости 5-200 мм²/сек при 20°С Плотность жидкости 0,92-0,98 г/см³ при 20°C Температура застывания не выше минус 60°С Температура кипения при остаточном давлении 1-3 мм рт.ст. выше 180°С.

Жидкости инертны по отношению к конструкционным материалам гидравлической системы запорной арматуры.

2. Нефтяные фракции:

Фракции нефти Троицко-Анастасиевского месторождения, выкипающие в интервале температур 165-370°С, или низкозастывающая минеральная основа, вырабатываемая посредством гидрокаталитического процесса.

Значение вязкости 3-13 мм²/сек при 20°С, или 3-15 мм²/сек Содержание серы менее 0,01 мас.% Содержание парафинов не более 0,5 мас.% Температура застывания не более минус 50°С.

Пример 1. Получение гидравлической жидкости.

В трехгорлую колбу, снабженную мешалкой, капельной воронкой и термометром загружают взвешенное количество (40,0 г) полиметилсилоксановой жидкости ПМС-20, включают обогрев и мешалку. Из капельной воронки подают определенное количество (57,5 г) фракции тяжелой нефти с температурами перегонки от 180 до 340°С. Смесь прогревают при температуре 50°С в течение 1 часа при перемешивании. После охлаждения смесь фильтруют.

Примеры 2-13 проводят аналогично примеру 1 с использованием полиметилсилоксановых жидкостей различных вязкостей, различных фракций нефти Троицко-Анастасиевского месторождения или низкозастывающей минеральной основой (масла ВГ), вырабатываемой посредством гидрокаталитического процесса, а также при различных соотношениях компонентов (см. табл.1). Полученный готовый продукт представляет собой прозрачную жидкость желтого цвета.

Анализ жидкостей проводили по следующим показателям:

1. Кинематическая вязкость при 20°С, минус 50°С по ГОСТ 33-86.

2. Температура застывания по ГОСТ 20841.3-75

3. Температура начала кристаллизации по ГОСТ 18995.5-73.

4. Диаметр пятна износа на 4-шариковой машине трения.

5. Кислотное число по ГОСТ 5985-79.

6. Плотность при 20°С.

7. Содержание воды

Таблица 1. Количества загружаемых компонентов (% масс.) № примера ПМС Фракция нефти (температуры перегонки) 1 60 (ПМС-20) 40 (180-340) 2 46 (ПМС-50) 54 (180-340) 3 43 (ПМС-20) 57 (170-370) 4 34 (ПМС-100) 66 (180-340) 5 30 (ПМС-50) 70 (160-360) 6 27 (ПМС-100) 73 (180-340) 7 50 (ПМС-50) 50 (165-280) 8 40 (ПМС-200) 60 (165-280) 9 50 (ПМС-6) 50 (масло ВГ) 10 40 (ПМС-6) 60 (масло ВГ) 11 50 (ПМС-5) 50 (масло ВГ) 12 30 (ПМС-5) 70 (масло ВГ) 13 40 (ПМС-10) 60 (масло ВГ)

Эксплуатационные и физико-химические свойства гидрожидкости приведены в таблице 2.

Таблица 2. Свойства композиционных жидкостей Показатели Примеры 1 2 3 4 5 6 7 8 Кинематич. вязкость, мм²/сек                 при 20°С, 6,96 9,85 12,98 8,77 9,49 8.75 9,10 24,0 при -50°С 76,9 116,6 200,3 184,9 199,8 97,0 89,1 126,5 Температ. застывания, °С Ниже -70 Ниже -70 Ниже -70 Ниже -70 Ниже -70 Ниже -70 Ниже -70 Ниже -70 Диам. Пятна износа на 4-шариковой машине трения, мм 0,42 0,39 0,40 0,42 0,35 0,39 0,39 0,38 Кислотное число мг КОН\г 0,028 0,033 0,019 0,032 0,032 0,013 0,012 0,018 Температура кристаллизации, °С Не кристаллизуется Не кристаллизуется Не кристаллизуется Не кристаллизуется Не кристаллизуется Не кристаллизуется Не кристаллизуется Не кристаллизуется Плотность, г/см³ 0,8949 0,8444 0,8870 0,8824 0.8784 0,8730 0,8910 0,8945 При 20°С Содержание воды, % отсутствие отсутствие отсутствие отсутствие отсутствие отсутствие отсутствие отсутствие

Продолжение таблицы 2. Показатели Примеры 9 10 11 12 13 Кинематич. вязкость, мм²/сек           при 20°С, 8,3 8,8 7,8 9,1 10,5 при -50°С 266 454 118 670 870 Температ. застывания, °С Ниже -60 Ниже -60 Ниже -60 Ниже -60 Ниже -60 Диам. пятна износа на 4-шариковой машине трения, мм 0,38 0,37 0,38 0,38 0,37 Кислотное число мг КОН\г 0,011 0,010 0,011 0,010 0,010 Температура кристаллизации, °С Не кристаллизуется Не кристаллизуется Не кристаллизуется Не кристаллизуется Не кристаллизуется Плотность, г/см³ 0,9115 0,8942 0.907 0,8769 0,8942 При 20°С Содержание воды, % отсутствие отсутствие отсутствие Отсутствие отсутствие

Из анализа примеров в таблицах 1 и 2, можно сделать вывод, что все полученные композиции удовлетворяют требованиям, предъявляемым к рабочим жидкостям для гидросистем. Значение вязкости при +20°С - 5,7 - 24 мм²/сек. При минус 50°С - 76,9-1250 мм²/сек. Температура застывания - ниже минус 60-70°С. Температура начала кристаллизации - не кристаллизуется. Диаметр пятна износа - 0,38-0,42 мм, т.е. жидкости обладают более высокими смазывающими свойствами по сравнению с прототипом. Кроме того, вязкость гидравлических жидкостей может варьироваться от 6,96 до 24,0 мм²/сек, что позволяет получать жидкости для различных гидросистем, в том числе и для гидросистем, где применяются только маловязкие масла типа АМГ-10.

Все физико-химические характеристики гидрожидкостей остались без изменений при повторном анализе, проведенном через 6 месяцев.

В процессе эксплуатации не происходит изменений физико-химических свойств заявляемого объекта гидрожидкости, что является гарантией надежности работы системы гидропривода и позволяет сделать вывод о соответствии предложенного решения критерию «промышленная применимость».

Анализ полученных результатов показывает, что предложенная жидкость 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 не известны решения, содержащие признаки, сходные с отличительными признаками предложенного решения с достижением описанного технического результата. Все вышесказанное обеспечивает предложенному решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Использование: в системах автоматического управления гидроприводами различных конструкций. Сущность: жидкость содержит в мас.%: 27-60 полиметилсилоксановой жидкости с вязкостью от 5 до 200 мм²/c при температуре 20°С и 40-73 фракции нефти с вязкостью 3-15 мм²/с при температуре 20°С Троицко-Анастасиевского месторождения с температурой кипения от 165 до 370°С или низкозастывающей минеральной основы, вырабатываемой посредством гидрокаталитического процесса. Технический результат - повышение надежности и быстродействия автоматических систем, обеспечение высоких эксплуатационных характеристик в любой климатической зоне (от минус 70 до плюс 70°С) и при повышенных температурах эксплуатации (до 130°С). 2 табл.

Рабочая жидкость для гидравлических систем, содержащая полиметилсилоксановую (ПМС) жидкость, фракцию нефти, отличающаяся тем, что в качестве полиметилсилоксановой жидкости используют жидкости с вязкостью от 5 до 200 мм²/с при температуре 20°С, а в качестве фракции нефти используют фракции нефти с вязкостью 3-15 мм²/с при температуре 20°С Троицко-Анастасиевского месторождения с температурой кипения от 165 до 370°С или низкозастывающую минеральную основу, вырабатываемую посредством гидрокаталитического процесса, при следующих соотношениях, мас.%:
полиметилсилоксановая жидкость 27-60 фракция нефти 40-73