УПЛОТНИТЕЛЬНАЯ ПАСТА ДЛЯ ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ Российский патент 2013 года по МПК C09K3/10 

Изобретение относится к герметизирующим уплотняющим пастам (УП), используемым в запорной арматуре трубопроводов.

Уплотнительные пасты, применяемые при эксплуатации трубопроводов для устранения утечек при транспортировке, должны обеспечивать повышенную герметизацию арматуры газопровода, устойчивость к транспортируемым веществам и сопутствующим им компонентам, температурную устойчивость в интервале от -40 до +60°С, повышенный ресурс работоспособности до 0,5 лет без дополнительной заправки.

Известен герметизирующий не отверждающийся материал для запорной арматуры, описанный в а.с. СССР №1181309, на основе полидиметилсилоксана, силикагеля и полиизобутилена, содержащий дополнительно хлористый метилен и олигофенл-2-этил(гексокси)силоксан. Данный состав с показателем пенетрации 160-180 ед. может использоваться в качестве уплотнительной пасты, но он не обеспечивает требуемого ресурса работоспособности пасты в связи с тем, что олигофенил-2-этил(гексокси)силоксан растворим в компонентах газового конденсата. Следствием этого является то, что паста теряет свою консистенцию и требуется частая набивка новых порций пасты.

Известна уплотнительная паста для запорной арматуры газопроводов, описанная в патенте РФ №2101332, включающая дисперсионную среду, стеарат лития, тальк и другие наполнители. В качестве пластичной основы она содержит нефтяное приборное масло или полидиметилсилоксановую жидкость с вязкостью от 100 до 1000 мм²/с, а в качестве дополнительных наполнителей - политетрафторэтилен и α-нафтиламин. Эта паста имеет показатель пенетрации в пределах 180-230 ед. Основным недостатком этой пасты является то, что она имеет высокие показатели пенетрации при отрицательных температурах (90-120 ед.), что ограничивает ее применение в зимний период и в Северо-Восточных регионах России, снижает ее герметизирующую способность к компонентам газового конденсата. Паста имеет невысокую стабильность при эксплуатации, поскольку в качестве ее пластичной основы использованы жидкости с невысокой вязкостью, для которых требуется дополнительная стабилизация.

Из заявки Японии №57-180656 известно использование минеральных наполнителей и синтетических масел в уплотнительных пастах, что обеспечивает повышенную стойкость уплотнений к перепадам давлений и температуры, защиту их от пыли. Однако такие пасты не предназначены для трубопроводов, работающих при отрицательных температурах, поскольку при этих температурах они имеют высокий показатель пенетрации.

Из заявки Японии №61-264080 известен уплотнительный материал, содержащий минеральные масла и наполнители, обеспечивающий высокую коррозионную и водостойкость. Однако этот материал неэффективен при перепадах температуры и не обеспечивает удовлетворительную герметизацию газовых трубопроводов.

Из заявки Японии №63-152688 известна уплотнительная смазка для использования в области сверхнизких температур, содержащая силиконовую основу, а также соли жирных кислот и бентонит в качестве загустителей. Однако эта смазка теряет герметизирующие свойства при температурах около 0°С и выше.

Известна уплотнительная паста для запорной арматуры газопроводов, описанная в патенте РФ №2296149, включающая дисперсионную среду - полидиметилсилоксаны и минеральные масла, минеральные наполнители и загустители на основе низкомолекулярных или высокомолекулярных каучуков, в качестве полидиметилсилоксанов содержит, по меньшей мере, один из полидиметилсилоксанов с вязкостью от 5 до 100000 сСт, в качестве минерального масла она содержит нефтяное масло и/или полиалкилбензол, причем пластичная основа дополнительно содержит α-олефины, или тетрамер пропилена, или полиэтилсилоксановую жидкость ПЭС-5 (ТУ 2229-032-00209013-2003) или ПЭС-5М, в качестве наполнителей указанная паста содержит, по меньшей мере, один из ряда, включающего перлит, слюду, каолин, бентонит, а в состав загустителей дополнительно включена смесь кальциевых и литиевых солей стеариновой кислоты и жирных кислот таллового масла или стеариновой кислоты.

Эта паста содержит, предпочтительно, нефтяное масло И-40А (ГОСТ 20788-88) или МГЕ-10А (ОСТ 38.01281-82), а в качестве α-олефинов, предпочтительно, фракции олефинов С₁₂-С₁₄ (ТУ 2411-058-05766801-96) или C₁₆-C₁₈ (ТУ 2411-067-05766801-97).

Общим недостатком паст и смазок, описанных в вышеуказанных заявках Японии и патенте РФ, является высокая зависимость пенетрации от температуры, что неприемлемо в случае их эксплуатации при суточных перепадах температур, в зимний период и в Северо-Восточных регионах России.

Известна мастика для заполнения швов между строительными элементами, описанная в патенте РФ №2241726, содержащая минеральный наполнитель - перлит, в качестве гидрофобного агента - силоксаны и силикатированный агент - слюду. Эта мастика может использоваться и как заливочная, и как отделочная, имеет хорошее сцепление с бумагой и со строительными конструкциями, обеспечивает легкое нанесение краски, имеет незначительную усадку, но она теряет свои свойства при контакте с газовым конденсатом, что делает ее непригодной для использования в уплотнениях запорной арматуры трубопроводов.

В патенте РФ №2181372 описана уплотнительная смазка, содержащая дисперсионную среду - нефтяные масла или полидиметилсилоксаны, добавку на основе стеарата лития, наполнитель - мел, а также аэросил, стеарин, канифоль и каучук. Эта паста нетоксична, мало горюча, взрывобезопасна, работоспособна в широком интервале температур (от -60 до +120°С) и давлений (от 1 до 10 МПа). Однако из-за низкой совместимости силиконового и нефтяного компонентов дисперсионной среды она подвержена расслаиванию в рабочей зоне, что снижает герметичность уплотнения.

Наиболее близкой к заявленному изобретению является паста, описанная в патенте РФ №2218384, получаемая на основе кремнийорганического олигомера. В качестве дисперсионной среды (пластичной основы) в этой пасте использованы смеси нефтяных масел и полидиметилсилоксана высокой вязкости (полиметилсилоксан с вязкостью от 10000 до 100000 сП), а в качестве загустителей - композиционные смеси бентонита, химически осажденного мела, каолина, аэросила, белой сажи, фторопласта и слюды, а также компонентов, обеспечивающих адгезионные свойства композиции, в качестве которых использованы смеси высокомолекулярных каучуков (бутадиен-стирольных, изопреновых, этилен-пропиленовых, бутилкаучуков и др.) и низкомолекулярных каучуков (полиизобутилен, полибутадиен, карбоксилатные нитрильные каучуки и др.). Эта паста обладает высокими потребительскими свойствами, но имеет невысокую коллоидную стабильность (не менее 10), что приводит к расслоению жидких компонентов вследствие несовместимости полидиметилсилоксана и нефтяных масел. Это, в свою очередь, приводит к загустеванию пасты в герметизируемом зазоре и, как следствие, к забиванию запорного узла.

Целью настоящего изобретения является создание уплотняющей пластичной композиции, обладающей высокими эксплуатационными свойствами - герметизирующей способностью, устойчивостью в широком диапазоне температур, высокой стойкостью к компонентам газового конденсата, высокой стойкостью к расслаиванию, сохранению пластических свойств при отрицательных (до минус 50°С) температурах, что должно обеспечить ее длительную работоспособность в различных климатических зонах.

Указанная цель достигается тем, что заявленная уплотнительная паста включает дисперсионную среду (полидиметилсилоксаны с вязкостью от 5 до 100000 сСт и трансформаторное масло ВГ (ТУ 38.401-58-177-96), вырабатываемое из малосернистых нефтей с применением гидрокаталитических процессов), загустители на основе низкомолекулярных и высокомолекулярных каучуков, а также аэросил или белую сажу. В качестве дополнительного компонента в составе уплотнительной пасты могут использоваться полиэтилсилоксановая жидкость ПЭС-5, кремнийорганический блок-сополимер (КЭП-2, КЭП-6, 167-174), которые способствуют стабилизации наполнителей в составе пасты. Дополнительно для улучшения низкотемпературных свойств паста содержит тетрамер пропилена и/или α-олефины, предпочтительно, фракции С₁₂-С₁₄ (ТУ 2411-058-05766801-96) или C₁₆-C₁₈ (ТУ 2411-067-05766801-97). В качестве наполнителей используются бентонит или органобентонит, перлит, слюда. Допускается использование в качестве наполнителей коллоидного графита, микроталька и рутильной двуокиси титана.

В качестве высокомолекулярных каучуков используют бутадиен-стирольный термоэластопласт марок ДСТ-30-01 (ТУ 38.103267-99), ДСТ-ЗОР-01 (ТУ 38.40327-98), бутилкаучук марки БК-1675Н (ТУ 2294-021-48158319-2001), каучуки СКЭПТ по ТУ 2294-022-05766801-2002 марок СКЭПТ -40 и СКЭПТ-50, изопреновый каучук марок СКИ-3 и СКИ-3С по ГОСТ 14925-79, бутадиеновый каучук марки СКД-НД ТУ 38.303-03-071-2002.

В качестве низкомолекулярного каучука используют полиизобутилен марок П-20 и П-30 (ТУ 38.303-02-99-99), полибутадиен ПБН марки А и марки Б ТУ 38.103461-98, бутадиен-нитрильный карбоксилатный каучук марок СКН-18-1А и СКН-26-1А (ТУ 38.303-01-41-92), КЭП представляет собой оксиалкиленорганосилоксановый блок-сополимер марки КЭП-2 (ТУ 6-02-813-73).

В качестве раствора используют 10%-ный раствор «высокомолекулярного каучука» в масле ВГ.

Заявленная паста содержит вышеуказанные компоненты в следующих соотношениях, мас.ч.:

полидиметилсилоксаны   с вязкостью от 5 до 100000 сСт 3,0-30,0 трансформаторное масло 10,0-30,0

низкомолекулярный каучук из ряда:

полиизобутилен, полибутадиен,   нитрильный каучук, 8,0-9,5

10%-ный раствор высокомолекулярного каучука из ряда:

бутадиен-стирольный термоэластопласт,   бутилкаучук, изопреновый каучук 1,5-3,5 аэросил и/или белая сажа 1,0-4,0 бентонит 0-9,5 органобентонит 0-2,5 перлит 1,0-4,5 слюда 2,5-5,5 полиэтилсилоксановая жидкость ПЭС-5 0-10,0 кремнийорганический блок-сополимер 0-5,0 α-олефины из ряда C₁₂-C₁₄, C₁₆-C₁₈   и/или тетрамер пропилена 5,0-20,0

Заявленная паста может дополнительно содержать вышеуказанные наполнители, мас.ч.:

микротальк 0-3,5 коллоидный графит 0-2,0 двуокись титана (рутил) 0-6,0

Заявленная паста также может дополнительно содержать ингибитор коррозии в количестве, мас.ч.:

алкилфосфат 0-2,0 ФОС 0-2,0 трикрезилфосфат 0-2,0

Введение в состав композиции дисперсионную среду трансформаторного масла ВГ в сочетании с полиэтилсилоксановой жидкостью - ПЭС-5, обеспечивает условия для получения не расслаивающейся однородной дисперсионной среды, что гарантирует устойчивость пасты как при ее длительной эксплуатации, так и при хранении, а использование кремнийорганического блок-сополимера - лучшей смачиваемости наполнителей дисперсионной средой и повышения стабильности композиции к расслаиванию при хранении и при эксплуатации пасты.

Включение в заявленную композицию дополнительных компонентов - кремнийорганических блок-сополимеров в указанных выше соотношениях обеспечивает стабильность к расслаиванию и работоспособность пасты в течение длительного времени. Это также значительно повышает герметизирующую способность заявленной пасты.

Различные соотношения наполнителей и загустителей обеспечивают необходимые реологические и структурные свойства композиций, а именно, показатель пенетрации в пределах от 140 до 210 ед. при 20°С и от 90 до 150 при минус 40°С, что обусловливает их высокие герметизирующие свойства в течение длительного времени без дополнительной набивки в условиях воздействия переменных температур. Введение композиционных смесей минеральных наполнителей, взятых в различных соотношениях, как указано выше, каждый из которых сам по себе известен в уплотнительных составах, приводит, тем не менее, к неожиданному результату - структурированию герметизирующих слоев в герметизируемых зазорах арматуры.

Использование всех вышеназванных компонентов в указанных соотношениях обеспечивает неожиданный эффект по эксплуатационным характеристикам, заключающийся в увеличении герметизирующей способности, ресурса работы пасты, стабильности ее поведения при перепадах температур, а также в обеспечении высокой коллоидной стабильности.

Для улучшения антикоррозионных свойств в состав паст допускается введение ингибиторов коррозии маслорастворимого типа, выполняющих функции поверхностно-активных веществ (ПАВ) в количестве до 2 масс.ч. Было установлено, что наилучшие результаты достигаются при использовании ингибиторов коррозии фосфатного типа, таких, как алкилфосфат, ФОС, трикрезилфосфат.

Авторам не известно аналогичное или близкое техническое решение, обеспечивающее комплекс таких эксплуатационных свойств, как надежная герметизация запорной арматуры, стабильность эксплуатационных свойств в широком интервале температур - от минус 40 до плюс 120°С и высокая коллоидная стабильность (не более 3).

Уплотнительную пасту готовят следующим образом.

В аппарат-смеситель загружают требуемое количество дисперсионной среды, включающей полидиметилсилоксаны с вязкостью от 5 до 100000 сСт, трансформаторное масло ВГ, а также α-олефины, полиалкилбензол, полиэтилсилоксановую жидкость ПЭС-5 и/или кремнийорганический блок-сополимер. Смесь перемешивают до получения однородной массы, затем, если предусмотрено составом, загружают ингибиторы коррозии и, постепенно, жидкие загустители - каучуки различной молекулярной массы. Перемешивание ведут в течение 3-5 ч, затем смесь медленно охлаждают и загружают при постоянном перемешивании твердые загустители, аэросил или белую сажу. При необходимости вводят коллоидный графит, а затем - минеральные наполнители - перлит, слюду, бентонит или органобентонит. Конечный продукт выгружают в подготовленную тару. Допускается пропускать полученную пасту через 3-х валковую перетирочную машину для лучшего диспергирования наполнителей. С целью интенсификации процесса каучуки вводят в виде растворов в трансформаторном масле ВГ или в минеральном масле.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

Пример

В аппарат, снабженный обогреваемой рубашкой, мешалкой и термопарой, требуемое количество дисперсионной среды: 20 кг полидиметилсилоксана ПМС-1000, 20 кг α-олефина C₁₂-C₁₄ и 20 кг трансформаторного масла ВГ и 0,8 кг КЭП-2. Смесь перемешивают до получения однородной массы, нагревают до 60°С и затем добавляют 2 кг алкилфосфата в качестве ингибитора коррозии. Смесь снова перемешивают в течение 0,5 ч. После получения однородной массы в аппарат добавляют 2,4 кг 10%-го раствора бутадиен-стирольного термоэластопласта (ДСТ, Кратон, Европрен и др.) в трансформаторном масле ВГ. При этом температуру поддерживают от 100 до 120°С и после перемешивания в течение 0,5 ч вводят 6 кг продукта КП-20 (раствор полиизобутилена ТУ 38.303-02-107-2002). Обогрев реактора отключают и при перемешивании в аппарат загружают небольшими порциями 0,8 кг аэросила А-380, 3,5 кг слюды дисперсностью не более 100 мкм, 5,0 кг бентонита и еще 3,5 кг перлита. Смесь перемешивают до получения однородной массы, охлаждают и выгружают.

Свойства полученной пасты:

- пенетрация - 180 ед.;

- коллоидная стабильность - 2,5;

- содержание воды - 0,05%.

Аналогичным образом получают композиции паст по примерам 2-9.

В табл.1 приведены композиции по примерам 2-9 заявленной пасты при различных содержаниях и вариантах ее компонентов.

Таблица 1 Наименование загружаемых компонентов Количество загружаемых компонентов по примерам, кг 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ПМС-5 0 0 0 3,0 0 0 0 0 0 ПМС-20 0 0 0 0 0 0 4,0 0 0 ПМС-400 0 10,0 0 0 10,0 0 0 0 0 ПМС-1000 10,0 0 0 0 0 10,0 0 30,0 30,0 ПМС-60000 0 0 10,0 0 20,0 0 15,0 0 0 ПМС-100000 0 0 0 7,0 0 0 0 0 0 Трансформаторное масло ВГ 20,0 10,0 10,0 15,0 10,0 30,0 10,0 10 10 Кремнийорганический блок-сополимер 1,0 2,5 0 2,0 1,3 2,8 3,0 0,5 1,8 α-олефинC₁₂-C₁₄ 20,0 0 20,0 5,0 0 0 5,0 0 0 α-олефинC₁₆-C₁₈ 0 20,0 0 0 0 10,0 0 0 0 Тетрамер пропилена 0 0 0 20,0 10,0 0 0 15,0 20,0 Полиэтилсилоксановая жидкость ПЭС-5 0 0 5 0 0 10,0 10,0 5,0 0 Перлит 4,5 1,0 4,5 2,5 4,0 1,0 4,0 1,0 4,5 Бентонит 6,0 3,5 0 3,0 0 9,5 3,5 5,0 3,5 Органобентонит 0 0 2,5 1,0 2,0 0 1,0 0 0 Слюда 3,5 3,5 3,5 2,5 4,0 5,5 4,0 2,5 3,5 Белая сажа 4,0 0 0 0 0 2,0 0 0 2,5 Аэросил А-380 1,0 2,0 2,5 2,0 3,0 1,2 2,7 1,8 1,0 Микротальк 2,2 0 0 1,5 0 0 0 1,5 3,5 Коллоидный графит 0 0 0 1,0 0 0 2,0 0 0 Двуокись титана (рутил) 0 0 4,5 6,0 1,0 0 0 0 0 КП-20 (20%-ный раствор низкомолекулярного каучука) 6,0 6,0 6,0 4,0 6,0 6,0 7,0 6,0 6,0 10%-ный р-р ДСТ в масле ВГ 2,4 2,4 0 1,5 0 2,4 3,5 0 0 10%-ный р-р бутилкаучука в масле ВГ 0 0 1,5 0 2,0 0 0 2,5 1,5 алкилфосфат 2,0 0 0 0 2,0 0 1,5 2,0 2,0 ФОС 0 0 1,0 2,0 0 1,0 0 0 0 Трикрезилфосфат 0 2,0 0 0 2,0 0 0 0 0

Свойства пасты состава в соответствии с примерами 1-9 представлены в таблице 2.

Таблица 2 №№ примера Свойства полученной пасты Пенетрация при 20°С^* Коллоидная стабильность Содержание воды, % Коррозионная активность 1 180 3,0 0,05 Выдерживает 2 170 2,5 0,05 Выдерживает 3 165 4 0,05 Выдерживает 4 190 2,5 0,05 Выдерживает 5 180 3,0 0,05 Выдерживает 6 220 2,5 0,05 Выдерживает 7 210 2,0 0,05 Выдерживает 8 180 2,5 0,05 Выдерживает 9 200 3,0 0,05 Выдерживает ^* При отрицательных температурах - до -40°С значения пенетрации по всем примерам составляют от 80 до 140 ед., что позволит применять пасту при низких температурах, а также при перепадах температур.

Из данных, представленных в табл.2, следует, что заявленная паста характеризуется высокой коллоидной стабильностью (не более 3,0), имеет низкое содержание влаги и коррозионно не активна. Кроме того, она характеризуется низкой зависимостью вязкости от температуры. В силу вышеуказанных свойств заявленная паста работоспособна в широком диапазоне и при перепадах температур, нерастворима в газовом конденсате и обеспечивает надежную герметизацию запорной арматуры, что делает ее перспективной для применения в зимний период и в Северо-Восточных регионах России.

Изобретение относится к герметизирующей пасте для запорной арматуры. Герметизирующая паста содержит полидиметилсилоксаны, трансформаторное масло, низкомолекулярный каучук, раствор высокомолекулярного каучука, аэросил и/или белую сажу, бентонит, органобентонит, перлит, слюду, полиэтилсилоксановую жидкость, кремнийорганический блок-сополимер, α-олефины из ряда C₁₂-C₁₄, C₁₆-C₁₈ и/или тетрамер пропилена. Низкомолекулярный каучук выбирают из полиизобутилена, полибутадиена или нитрильного каучука. Высокомолекулярный каучук выбирают из бутадиен-стирольного термоэластопласта, бутилкаучука или изопренового каучука. Герметизирующая паста может дополнительно содержать наполнители, такие как микротальк, коллоидный графит, двуокись титана (рутил), а также ингибитор коррозии. Герметизирующая паста устойчива к компонентам газового конденсата в широком диапазоне температур, характеризуется низкой зависимостью значения пенетрации от температуры и может быть использована в нефтяной и газовой промышленности при эксплуатации трубопроводов, преимущественно, в зимний период и в Северо-Восточных регионах России. 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

1. Герметизирующая паста для запорной арматуры, включающая следующие компоненты при их содержании в мас.ч.:
полидиметилсилоксаны   с вязкостью от 5 до 100000 сСт 3,0-30,0 трансформаторное масло 10,0-30,0 низкомолекулярный каучук из ряда:   полиизобутилен, полибутадиен,   нитрильный каучук 8,0-9,5 10%-ный раствор высокомолекулярного каучука   из ряда: бутадиенстирольный термоэластопласт,   бутилкаучук, изопреновый каучук 1,5-3,5 аэросил и/или белая сажа 1,0-4,0 бентонит 0-9,5 органобентонит 0-2,5 перлит 1,0-4,5 слюда 2,5-5,5 полиэтилсилоксановая жидкость ПЭС-5 0-10,0 кремнийорганический блок-сополимер 0-5,0 α-олефины из ряда C₁₂-C₁₄, C₁₆-C₁₈   и/или тетрамер пропилена 5,0-20,0

2. Герметизирующая паста для запорной арматуры по п.1, отличающаяся тем, что в качестве наполнителей она дополнительно содержит, мас.ч.:
микротальк 3,5 коллоидный графит 0-2,0 двуокись титана (рутил) 0-6,0

3. Герметизирующая паста для запорной арматуры по любому из пп.1, 2, отличающаяся тем, что дополнительно содержит ингибитор коррозии в количестве, мас.ч.:
алкилфосфат 0-2,0 трикрезилфосфат 0-2,0