ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Создание пакетных манжетных уплотнений для высоких и сверхвысоких давлений»

Рекомендуемая область пременения

Машиностроительное производство, техника и оборудование для бурения, обустройства, эксплуатации капитального ремонта нефтегазовых, преимущественно морских скважин, устройства и сосуды высокого давления, стендово-испытательное оборудование:
- противовыбросовое и устьевое оборудование;
- системы передачи высокого давления (манифольды);
- испытание на прочность устройств и сосудов высокого и сверхвысокого давлений;
- насосные и испытательные установки высокого и сверхвысокого давления;
- пневмогидравлические насосы (гидравлическая часть);
- системы и устройства, работающие на нетрадиционных рабочих средах, -буровой и цементный растворы, нефть, газовый конденсат, техническая вода, газ, пар, абразивосодержащие и химически агрессивные растворы и т.п.

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта - обеспечить работоспособность, безопасность и надежность в сложных и экстремальных условиях использования и эксплуатации, создание современных технических средств, где требуется высокое (до 70 МПа) и сверхвысокое (150 и более МПа) давление, как правило нетрадиционной рабочей среды, где стандартные и серийные уплотнения неприемлемы (неработоспособны) или при давлении до 70 МПа обладают крайне низким техническим ресурсом и поэтому не только не обеспечивают современный технический уровень машиностроительной продукции, но, будучи смонтированными в устройстве, превращают его в объект повышенной экологической и техногенной опасности.

Исходя из этого целями и задачами проекта является создание и практическая реализация таких уплотнений, которые надежно и стабильно работали бы в широком диапазоне давлений - от нуля до 150 МПа, а в отдельных случаях и при небольших габаритах устройства - до 600 МПа, при этом ставится задача, чтобы пакетные манжетные уплотнения смогли обеспечивать герметизацию устройств и систем при

- возвратно-поступательном движении деталей;

- периодической стыковке-расстыковке уплотняемых соединений;

- удержании давления в статическом состоянии (поддержании заданного давления без утечек и снижения показателей).

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Известны и получили заметное распространение пакетные шевронные уплотнения со стандартными резинотканевыми (раньше применялись кожаные) манжетами V - образного профиля, которые работают в гидравлических, пневматических и комбинированных устройствах возвратно-поступательного действия. Пакет из наибольшего количества манжет (до шести) - с нажимными и опорными кольцами — рассчитан на давление рабочей среды до 63 МПа. Однако подобные уплотнения, при работе на указанном предельном давлении, недолговечны, требуют предварительного поджатия, из-за чего существенно возрастает сила трения, при этом не обеспечивается герметизация при низком давлении (менее 1МПа) и при отсутствии давления. Других стандартных уплотнений на давление свыше 63 МПа нет (будет показано, что и это давление пакет V-образных манжет по существу не обеспечивает). Для высоких и сверхвысоких давлений в России применяют «самодельные» уплотнения из различных полимерных материалов и металлических колец. Их надежность явно неприемлема, а долговечность незначительна, эксплуатация «самоделок» при сверхвысоких давлениях опасна.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Для решения этой сложной проблемы созданы новые универсальные уплотнения формально шевронного типа, эффективно работающие в широком диапазоне давлений рабочей среды, включая минимальные, высокие и сверхвысокие давления, а также нулевые давления (0-70 МПа, пробное или испытательное - 105 МПа); проведены успешные эксперименты при давлениях до 150 МПа. Новое уплотнение работоспособно при температуре от минус 40 до плюс 150°С в различной среде: минеральные масла, специальные гидравлические жидкости и смазки на водно-гликолиевой основе, смазочно-охлаждающие жидкости, техническая вода, нефть, буровые и цементные растворы, сжатый воздух, пар, загрязненные жидкости и газы, в том числе с твердыми (абразивными) частицами.

Новое уплотнение возвратно-поступательного действия может быть использовано в узлах при одностороннем приложении давления (рис. 1) и при действии давления с двух сторон. Уплотнительное устройство включает в себя пакет, состоящий из специальных М-образных рабочих манжет, одной глухой (нажимной) манжеты, нажимного и опорного колец. Рабочая М-образная манжета имеет центральный выступ и два пружинистых язычка по бокам (в сечении). На наружной кромке язычков предусмотрены уплотняющая и опорная поверхности; на тыльной стороне манжеты имеется паз. Конструкция нажимной манжеты аналогична, но не имеет паза. Манжеты изготавливаются преимущественно из резиноткани.

Эффективность уплотнения в широком диапазоне давлений обеспечивается следующими факторами:

- большой податливостью манжет вследствие «слабых» перемычек между центральным выступом и пружинистыми язычками;

- повышенной жесткостью пакета по оси центральных выступов, передающих нагрузку, при сохранении податливости по бокам;

- наличием у пружинистых язычков двух рабочих поверхностей, что обеспечивает не только надежное уплотнение, но и очищение от загрязнения уплотняемых поверхностей;

- оптимальным соотношением между размерами манжеты в свободном и деформированном состояниях.

Проводили сравнительные экспериментальные исследования уплотнительных узлов шевронного типа с тремя типами рабочих резинотканевых манжет (рис.2): стандартные V-образные манжеты на рабочее давление 63 МПа (а) - контрольная проверка работоспособности при давлении 70 МПа; манжеты типа V-образных (б), специально разработанные на давление 70 МПа; специальные М-образные манжеты нашей разработки (в). Каждый испытываемый узел содержал несколько рабочих манжет 2, нажимную манжету 3, опорное 1 и нажимное 4 кольца. Испытания проводили с пакетами размером в сечении 90 х 115 мм, сравнительная длина пакетов и количество манжет видны из рис. Испытания проводили в указанных средах и температурах, длительные испытания - в среде 0,5%-го раствора бихромата калия, нагружение проводили ступенчато давлениями от нуля до 70 МПа, наработку проверяли при 70 МПа с последующей проверкой пробным давлением 105 МПа. Предварительное поджатие манжет составляло: V-образных до 2,5 мм; усиленных - от 2,25 до 4,00 мм; М-образных - натяг 0,5 - 1,0 мм и зазор до 2,0 мм.

Стандартные V-образные манжеты давление 70 МПа выдерживают, но их ресурс крайне ограничен. «Усиленные» манжеты при различном предварительном пожатии (в указанном диапазоне) и количестве манжет до 7 кратковременно выдерживают давление до 40 МПа, после чего теряют работоспособность. Специальные М-образные манжеты (5 штук) все виды испытаний в диапазоне давлений
0-70 МПа, при наличии и отсутствии предварительного поджатия, испытания выдержали и сохранили работоспособность, в том числе пробное давление 105 МПа, после многоцикловых испытаний.

Выявлено, что в наиболее неблагоприятных условиях находится нажимная (глухая) манжета, которая лимитирует долговечность всего пакета. Предложено нажимное кольцо 4 (рис.2, в) изготавливать из того же материала, что и манжеты, - резиноткани. Благодаря этому происходит перераспределение нагрузок между манжетами, и долговечность нажимной манжеты и всего пакета повышается. Из-за высокой податливости и приспособляемости к внешним нагрузкам в М-образных манжетах снижается сила трения - по сравнению с V-образными примерно в 3 раза. А это дополнительный стимул  снижения теплонапряженности и энергоемкости, повышения долговечности.

Рис. 1.

Рис.2.

Ресурсные испытания нового уплотнения показали, что его срок службы при давлении рабочей среды 70 МПа повышается в 6-8 раз, а при более низких давлениях (по сравнению с обычными манжетами) долговечность М-образных манжет существенно возрастает. Количество рабочих манжет при этом уменьшается.

Имеются и другие разработки пакетных манжетных уплотнений со специальными М-образными и подобными манжетами, в том числе:

-двустороннего действия;

- с объединением глухой (нажимной) манжеты и нажимного кольца;

- с эластичным опорным кольцом;

- устройства с ограниченными размерами с М-образными манжетами на рабочее давление 600 МПа.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Технико-экономические показатели и технико-экономическое обоснование применения новых пакетных манжетных уплотнений зависит от конкретной области использования, размеров и условий эксплуатации. Приведем некоторые примеры.

- Уплотнения линий манифольда, проложенных от устья морской скважины до буровой платформы, рабочее  давление  уплотнений 70  МПа, размер  М- образных манжет 90 х 115 мм (рис. 2,в), рабочая среда: нефть, газовый конденсат, газ с примесями бурового раствора и абразивных частиц, температура рабочей среды - 100 - 150°С. Уплотнение работает в статическом состоянии и в режиме стыковки и расстыковки при сборке - разборке морского стояка с линиями манифольда. Стандартные уплотнения с V-образными манжетами (рис. 2, а) не приспособлено для подобных операций, поскольку для их работоспособности (хотя бы ограниченное время) требуется высокое поджатие пакета, но это поджатие будет препятствовать стыковке линий манифольда. Следовательно, без разработанных нами уплотнений с М-образными манжетами (рис. 2, в) создание отечественного комплекса для подводного бурения нефтегазовых скважин было бы невозможно.

- Уплотнения поршней буровых насосов одностороннего действия (рис. 1), рабочее давление 25 МПа, размер М-образных манжет 105x130 мм, рабочая среда - буровой раствор с примесями абразивных частиц и агрессивных жидких добавок к раствору, температура рабочей среды (с учетом трения в насосе) 80 – 140 °С. Серийное уплотнение - это навулканизованная на сердечник резиноемкая «манжета» с одной уплотняющей кромкой или более современная съемная «манжета» (сборно-разборный поршень), менее резиноемкая, но также с одной уплотняющей кромкой. Технический ресурс поршня с навулканизованной «манжетой» 50-65 часов, со съемной «манжетой» - на 10-15% больше. Технический ресурс поршня с М-образными в 12-15 раз больше.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Высокая долговечность. Пакет с М-образными манжетами приспосабливается к внешней нагрузке, при этом боковые пружинистые язычки манжет не «раздавливаются» при монтаже, манжеты содержат уплотняющие и опорные поверхности, при максимальной нагрузке язычки своими опорными поверхностями ложатся на соседнюю манжету, а основную осевую нагрузку воспринимают центральные выступы повышенной жесткости.

Снижение в 3 и более раз силы трения. Это следствие указанных особенностей принципа действия пакета манжетных уплотнений, снижение силы трения способствует уменьшению температуры трения и увеличению долговечности.

Снижение контактных давлений. Это следствие «слабого» поджатия пружинистых язычков к уплотняемой поверхности и снижения силы трения, контактные давления снижаются примерно на ту же величину (> 3 раза).

Самоочищение уплотняемой поверхности. Достигается особой схемой действия пружинистых язычков при обратном ходе поршня.

Энергоснабжение. Это следствие снижения силы трения и контактных давлений, мощность привода бурового насоса снижается на 12-15 % (при сохранении производительности и давления нагнетания).

Новые потребительские свойства продукции

- высокая долговечность;
- снижение затрат в процессе эксплуатации (за счет непомерно частых сборок и разборок для замены недолговечных уплотнений);
- повышение производительности агрегата за счет резкого снижения простоев при замене уплотнений;
- снижение металлоемкости и трудоемкости в процессе производства из-за сокращения потребности в уплотнениях;
- снижение энергопотребления.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Соответствует современным государственным стандартам.

Стадия и уровень разработки

Пакетные манжетные уплотнения с М-образными манжетами 90x115 и 105x130 мм освоены в серийном производстве из резиноткани на специализированном предприятии России. Оба пакета подвергнуты разносторонним, в том числе сертификационным, испытаниям и апробированы в процессе эксплуатации в составе комплекса для бурения морских нефтегазовых скважин. И деется документация на эти типоразмеры уплотнений.
Дополнительно к этому разработаны новые варианты уплотнений с М-образными манжетами (разработки выполнены на уровне изобретений), разработана и апробирована принципиально новая технология изготовления М-образных манжет и соответствующих нажимных и опорных колец из импортного полимерного материала на специальном токарном, также импортном, станке с программным управлением.

Предлагаемые инвестиции

0,5 млн. руб.
Объем инвестиций указан на финансирование одного типоразмера.

Рынки сбыта

Пакетные манжетные уплотнения со специальными М-образными манжетами имеют высокую степень отработки и промышленной эксплуатации, с их помощью существенно повышаются: технический уровень, надежность и долговечность систем, агрегатов и объемных насосов возвратно-поступательного действия, а также неподвижных гидропневмосоединений с периодической стыковкой и расстыковкой.
Эти уплотнения незаменимы для:
- современных буровых насосов, в том числе на давление до 53 МПа;
- противовыбросового, в частности превенторов, и устьевого оборудования для морского и наземного бурения при давлении на устье скважины до 105 МПа;
- стендового и испытательного - гидравлического и пневмогидравлического оборудования на различные уровни давления - от 16 до 150 МПа;
- специальных насосных, в том числе нефтепромысловых агрегатов, на давление от 40 до 150 МПа;
- для систем возвратно-поступательного действия, в том числе с гидроабразивной и агрессивной средой;
- для специальных устройств на давление до 600 МПа.
Это относится к российским и зарубежным (страны СНГ) предприятиям машиностроения и, прежде всего, нефтепромыслового машиностроения.

Возможность и эффективность импортозамещения

Импортозамещение - основное направление внедрения предлагаемых уплотнений, поскольку некоторый (далеко неполный аналог) имеется лишь в США.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

28.11.2006