УПЛОТНИТЕЛЬНАЯ ПАСТА ДЛЯ ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ Российский патент 2015 года по МПК C09K3/10 

Изобретение относится к герметизирующим уплотняющим пастам (УП), используемым в запорной арматуре трубопроводов для транспортировки различных материалов (газ, нефть и нефтепродукты, аммиак, водяной пар и др.).

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°C, повышенный ресурс работоспособности до 0,5 лет без дополнительной заправки.

Известен герметизирующий неотверждающийся 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 низкую пенетрацию 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.

Известен уплотнительный материал, содержащий минеральные масла и наполнители (Заявка Японии №61-264080), обладающий высокой водо- и коррозионной стойкостью.

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°C 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.

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°C) 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.

Известна 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 (свыше 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. Кроме того, описанная паста характеризуется невысокой температурой каплепадения (не свыше 170°C), что ограничивает ее использование при герметизации запорной арматуры при повышенных температурах.

Наиболее близкой заявляемому изобретению является уплотняющая пластичная композиция, описанная в патенте №2487906, обладающая повышенной герметизирующей способностью, устойчивостью в широком диапазоне температур, высокой стойкостью к компонентам газового конденсата, стойкостью к расслаиванию, сохранению пластических свойств при отрицательных (до минус 50°C) температурах, высоким значением температуры каплепадения. Однако композиция обладает недостаточно низкими значениями рабочих температур (до минус 50°C), что ограничивает ее применение в зимних условиях в северных регионах. Целью настоящего изобретения является создание уплотняющей 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 60°C) температурах, высокими значениями коллоидной стабильности, что должно обеспечить ее длительную работоспособность в различных климатических зонах, в том числе в северных регионах.

Указанная цель достигается тем, что заявленная уплотнительная паста, включающая дисперсионную среду (полидиметилсилоксаны с вязкостью от 5 до 100000 сСт, 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, полиэтилсилоксановую жидкость ПЭС-5, кремнийорганический блок-сополимер (КЭП-2, КЭП-6, 167-174), тетрамер пропилена и/или α-олефины, предпочтительно, фракции С₁₂-С₁₄ (ТУ 2411-058-05766801-96) или C₁₆-C₁₈ (ТУ 2411-067-05766801-97). Дополнительно для улучшения низкотемпературных свойств паста содержит кремнийорганический олигомер 132-339 (ТУ 6-02-1-589-88), представляющий олигодиэтилсилоксаны, содержащие реакционноспособные этокси-группы.

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 ДСТ 30-01 (ТУ 38.103267-99), бутилкаучук БК1675 (ТУ 2294-001-67071475-2011), каучук СКЭПТ (ТУ 2294-022-05766801-2002), изопреновый каучук (ГОСТ 14925-74) в виде 10%-ных растворов в маслах; в качестве низкомолекулярного каучука используют выпускаемый промышленностью раствор полиизобутилена в масле КП-20С (ТУ 38.303-02-107-2002), полибутадиен (ТУ 38.103461-98), нитрильный карбоксилатный каучук (ТУ 38.303-01-41-92) в виде растворов в маслах.

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

Полидиметилсилоксаны   с вязкостью от 5 до 100000 сСт 3,0-30,0 трансформаторное масло ВГ 10,0-30,0 20%-ный раствор низкомолекулярного каучука 4,0-7,0 кремнийорганический олигомер 132-339 0,5-5,0 10%-ный раствор высокомолекулярного каучука в масле ВГ 1,5-2,5 аэросил 1,0-3,0 бентонит 0-9,5 органобентонит 0-2,5 перлит 1,0-4,5 слюда 2,5-5,5 белая сажа 0-4,0 полиэтилсилоксановая жидкость ПЭС-5 0-10,0 кремнийорганический блок-сополимер 0,5-2,2 α-олефины из ряда С₁₂-С₁₄, С₁₆-С₁₈   и/или тетрамер пропилена 5,0-20,0

Заявленная паста дополнительно содержит вышеуказанные наполнители в различных сочетаниях, 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 трикрезилфосфат 0-2,0

Введение в состав композиции трансформаторного масла ВГ в сочетании с полиэтилсилоксановой жидкостью ПЭС-5 и кремнийорганическим олигомером 132-339 обеспечивает условия для получения не расслаивающейся однородной дисперсионной среды, что гарантирует устойчивость пасты как при ее длительной эксплуатации, так и при хранении. Использование кремнийорганического блок-сополимера способствует лучшей смачиваемости наполнителей дисперсионной средой и повышения стабильности композиции к расслаиванию при хранении и при эксплуатации пасты, а использование функционального кремнийорганического олигомера 132-339, имеющего высокое сродство к жидкой основе (масляной основе) пасты, за счет наличия реакционноспособных алкокси-групп, обеспечивает условия для химического взаимодействия олигомера с функциональными группами наполнителей.

Все это обеспечивает работоспособность пасты в течение длительного времени, а также значительное повышение герметизирующей способности заявленной пасты.

Введение кремнийорганического олигомера 132-339 приводит к неожиданному результату - обеспечивает улучшенные низкотемпературные свойства пасты, а также высокую коллоидную стабильность - до 1,5%. 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, сохранению работоспособности пасты при низких (до минус 60°C) температурах, а также в обеспечении высокой коллоидной стабильности.

Различные соотношения наполнителей и загустителей обеспечивают необходимые реологические и структурные свойства композиций, а именно показатель пенетрации в пределах от 165 до 220 ед. при 20°C, от 90 до 150 при минус 40°C и от 40 до 60 ед. при минус 60°C, что обусловливает их высокие герметизирующие свойства в течение длительного времени без дополнительной набивки в условиях воздействия переменных температур.

Для улучшения антикоррозионных свойств в состав паст допускается введение, как и в прототипе, ингибиторов коррозии маслорастворимого типа в количестве до 2 масс. ч. Наилучшие результаты достигаются при использовании ингибиторов коррозии фосфатного типа, таких, как алкилфосфат, 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 60 до плюс 120°C и высокая коллоидная стабильность (до 1,5%). 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, или α-олефины, полиалкилбензол, кремнийорганический олигомер 132-339, 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 и/или белую сажу. При необходимости вводят коллоидный графит, а затем - минеральные наполнители - перлит, слюду, бентонит и/или органобентонит.

Конечный продукт выгружают в подготовленную тару. Допускается пропускать полученную пасту через 3-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 следующими примерами.

Пример 1.

В аппарат, снабженный обогреваемой рубашкой, мешалкой и термопарой, требуемое количество дисперсионной среды: 20 кг полидиметилсилоксана ПМС-1000, 20 кг α-олефина C₁₂-C₁₈ и 20 кг трансформаторного масла ВГ, кремнийорганического олигомера 132-339 и 0,8 кг КЭП-2. Смесь перемешивают до получения однородной массы, нагревают до 60°C 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 30-01 в трансформаторном масле ВГ. При этом температуру поддерживают от 100 до 120°C и после перемешивания в течение 0,5 ч вводят 6 кг продукта КП-20С (20%-ный раствор низкомолекулярного 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 при 20°C - 180 ед.;

- пенетрация при минус 60°C - 40 ед.;

- коллоидная стабильность - 2,0;

- содержание воды - 0,05%.

Аналогичным образом получают композиции паст по примерам 2-9 при различных соотношениях исходных компонентов и различных видов каучуков.

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

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

Из данных, представленных в табл. 2, следует, что заявленная паста характеризуется высокой коллоидной стабильностью (не более 2,5), 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 может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности. Герметизирующая паста для запорной арматуры содержит следующие компоненты при их содержании в мас.ч., а именно полидиметилсилоксаны с вязкостью от 5 до 100000 сСт, трансформаторное масло ВГ, 20%-ный раствор низкомолекулярного каучука, кремнийорганический олигомер 132-339, 10%-ный раствор высокомолекулярного каучука в масле ВГ, аэросил, бентонит, органобентонит, перлит, слюда, белая сажа, полиэтилсилоксановая жидкость ПЭС-5, кремнийорганический блок-сополимер, α-олефины из ряда C₁₂-C₁₄, C₁₆-C₁₈ и/или тетрамер пропилена, микротальк, коллоидный графит, двуокись титана (рутил), алкилфосфат, трикрезилфосфат. Паста характеризуется значениями пенетрации при 20°С 100-220 ед., при минус 60°С 40-60 ед., имеет коллоидную стабильность 1,5-2,5, содержит не более 0,05% воды, устойчива к компонентам газового конденсата в широком диапазоне температур, характеризуется низкой зависимостью значения пенетрации от температуры. 2 табл., 1 пр.

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 ВГ 10,0-30,0 20%-ный раствор низкомолекулярного каучука 4,0-7,0 кремнийорганический олигомер 132-339 0,5-5,0 10%-ный раствор высокомолекулярного каучука в масле ВГ 1,5-2,5 аэросил 1,0-3,0 бентонит 0-9,5 органобентонит 0-2,5 перлит 1,0-4,5 слюда 2,5-5,5 белая сажа 0-4,0 полиэтилсилоксановая жидкость ПЭС-5 0-10,0 кремнийорганический блок-сополимер 0,5-2,2 α-олефины из ряда С₁₂-С₁₄, С₁₆-С₁₈   и/или тетрамер пропилена 5,0-20,0