В.Е. Бахарева, И.В. Лишевич, А.С. Саргсян,

Введение

Новые полимерные композиционные материалы (ПКМ), обладая уникальными физико-механическими свойствами и эксплуатационными характеристиками, являются наиболее перспективными в качестве основы для создания самых разнообразных образцов новой техники.

Работы ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» в области ПКМ были начаты в конце 60-х годов прошлого столетия с создания вибропоглощающих материалов, призванных обеспечить снижение вибраций и

вызываемых ими шумов работающих механизмов [1]. В тот период стало очевидно, что все физико-механические свойства твердых тел являются структурно чувствительными и определяются атомным, молекулярным, надмолекулярным строением вещества, особенностями организации его на более высоких масштабных уровнях. Этот подход был нами использован при создании антифрикционных и электроизоляционных ПКМ.

            В настоящее время резко возросло внимание к экологической чистоте узлов трения современных судов, гидротурбин, насосов, шлюзов, нефтедобывающего и нефтеперерабатывающего оборудования, эксплуатирующегося в воде. Экологическая чистота значительно повышается при использовании антифрикционных материалов, смазываемых водой. Необходимость замены металлических подшипников  с масляной смазкой особенно актуальна для судостроения, энергомашиностроения (гидротурбо- и насосостроения). В судостроении подшипники скольжения рулевых машин и других забортных устройств традиционно изготавливались из бронз. Для обеспечения их работоспособности необходима непрерывная подача смазки в место трибоконтакта, при этом смазочные трубопроводы достигают протяженности 5 – 6 км. Многочисленные отверстия в корпусе судов для трубопроводов, значительно снижают прочность корпуса. Сложность систем смазки приводит к повышению вероятности отказов отдельных узлов системы, поэтому подача смазки не является гарантированной [1-3].

При изготовлении дейдвудных подшипников судов из баббита возникает постоянная опасность загрязнения окружающей среды, практические утечки масла за борт при нормальной работе механизмов достигают 10 – 12 л. масла в сутки.

Для изготовления дейдвудных подшипников, смазываемых забортной водой, ранее применялся остродефицитный и дорогостоящий бакаут (древесина тропического гваякового дерева), в последние годы поставки бакаута в Россию практически прекращены. Кроме того, применение данного материала значительно ограниченно на современных судах, поскольку он уже не может обеспечить возросший уровень требований к антифрикционным материалам [1-3].

Так же остро стоит вопрос с подшипниками скольжения гидротурбин. Длительное время в их конструкциях применялись бронзовые подшипники с масляной смазкой. «Залповые выбросы масла» гидротурбин в акваторию хорошо известны экологам: при этом в воду выливаются сотни литров масла. За рубежом выпуск гитротурбин с системами масяляной смазки практически прекращен, отечественные предприятия в настоящий момент также отказываются от применения систем масляной смазки и переходят на выпуск экологически чистых турбин с узлами трения, смазываемыми водой.

 В насосостроении, замена баббитовых подшипников с масляной смазкой на подшипники с водяной смазкой позволяют существенно упростить конструкцию насоса, встроить подшипники непосредственно в корпус насоса, уменьшить  длину вала насоса, тем самым повысить прочность и снизить виброактивность [4].

Насосы энергетических установок, в том числе и судовых перекачивают перегретую воду с температурой до 200 ^оС и выше. Разработанные к настоящему времени углепластики для высокоскоростных узлов трения  способны работать при температурах до 105 ^оС. Насосы ТЭК импортного производства, в случае выхода из строя подшипников скольжения, меняются полностью. Возможность замены только узлов трения отсутствует. Известные отечественные материалы, такие, как наполненные фторопласты не могут работать в таких жестких условиях. Для обеспечения необходимого ресурса использование антифрикционных материалов, обладающие высокой теплостойкостью до 200 ^оС, гидролизостойкостью и размерной стабильностью в этих условиях.

Чтобы исключить масляную смазку узлов трения было необходимо заменить металлические антифрикционные материалы на полимерные материалы способные работать с водяной смазкой. С водяной смазкой эксплуатируется ряд антифрикционных полимерных материалов, таких как капролон, фторопласты, резины, дерево (бакаут), текстолит и др. Все эти материалы являются низкопрочными. Большинство из них набухает в воде, что неприемлемо для высокоточных подшипников судов, гидротурбин, насосов и др. Серьезным недостатком является их низкая технологичность. Из них практически невозможно изготавливать крупногабаритные подшипники (диаметром до 2,5 метров). В технической литературе 60-х – 80-х годов антифрикционные полимерные материалы часто называли твердыми смазками. Полимерных материалов, сочетающих в себе высокую конструкционную прочность и жесткость, размерную стабильность с высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения на тот момент не существовало [1-3].

Для замены традиционных материалов в узлах трения, ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» разработаны антифрикционные углепластики на основе эпоксидных и фенольных термореактивных полимерных матриц и углеродных тканей – марок УГЭТ и ФУТ. Для работы в перегретой был разработан новый антифрикционный углепластик на основе термопластичной матрицы – полифениленсульфида (ПФС), получивший название – УПФС.Углеродные ткани, в отличие от известных наполнителей антифрикционных полимерных материалов, имеют высокие показатели прочности, упругости, теплопроводности, не изменяют размеров в воде (не набухают), образующиеся при трении продукты диспергирования углеродных тканей обладают свойствами твердой смазки (графита) [2, 5-7]. Сравнительные характеристики антифрикционных материалов приведены в табл. 1. < style=»text-align: justify;»>В зависимости от условий эксплуатации подшипники скольжения из углепластиков делятся на три группы:                                          Применение фенольного углепластика ФУТ

Наибольший опыт применения подшипников скольжения из углепластика ФУТ имеется в судостроении, гидротурбиностроении и насосостроении.

                          Опорные подшипники и торцевые уплотнения судовых гребных валов

Углепластик ФУТ, макромодифицированный фторопластом успешно эксплуатируется в течение более 20 лет на 30 судах большого водоизмещения и быстроходных катерах.

Для судов большого водоизмещения применяются наборные конструкции, а для подшипников валов быстроходных катеров диаметром менее 200 мм применяется конструкция на основе цельной втулки со вставками из фторопласта, размещенными в пазах.

                       Торцевые уплотнения и направляющие подшипники валов гидротурбин

Торцевые уплотнения применяются более чем на 40 гидротурбинах: Загорской, Цымлянской, Ирганайской (Россия), Днепровской (Украина), Круонисской (Литва), Тери (Индия), Докан (Ирак), Копанда (Ангола), Урра (Колумбия), Лос-Караколес (Аргентина), Кан Дон, Тхакмо и Яли (Вьетнам), Торул (Турция), Джердап-1 (Сербия) Опыт показал, что при замене ранее применяемых полимерных материалов (Тордон, АМС-3) на углепластики ФУТ и ФУТ-Ф ресурс торцевого уплотнения увеличивается в несколько раз. Кроме торцевых уплотнений, успешно эксплуатируются радиальные уплотнения вала из углепластика ФУТ, установленные на 3 гидротурбинах каскадов Кемских и Выгских ГЭС (Россия).

Направляющие подшипники валов эксплуатируются на 3 агрегатах Юмагузинской ГЭС, на малых гидростанциях Московской области. С целью облегчения монтажа гидрозамок этих подшипников выполнен из резины.

                    Узлы трения насосов из углепластика ФУТ и его модификаций

В настоящее время наибольший опыт применения подшипников из углепластиков ФУТ имеется в ТЭК в насосах систем ППД (поддержания пластового давления). Общее число насосов марки ЦНС различной производительности и напора с подшипниками из углепластика ФУТ и его модификаций составляет более 120. Эти насосы работают в таких нефтяных компаниях, как ОАО «Татнефть», ОАО «Башнефть», ОАО «Лукойл-Пермь», ОАО «Сургутнефтегаз» ЗАО «Лукойл-Пермь» филиал Ватойл, ОАО «Тюменьнефтегаз», ОАО «Удмуртнефть», НК «Салым Петролиум Девелопмент» и др. Максимальная наработка подшипников составила 20 000 ч (гарантированный ресурс работы таких насосов 8 000 ч). Повысилась надежность подшипников и увеличился межремонтный срок эксплуатации.

Кроме того, замена традиционных выносных баббитовых подшипников скольжения на встроенные подшипники из углепластика ФУТ позволила:

— полностью устранить утечки перекачиваемой среды с нагнетательной стороны насоса;

— значительно (до 3 раз) снизить вибрационную нагрузку на узлы насоса за счет сближения опор на роторе и повышенных демпфирующих свойств материала ФУТ (по сравнению с металлами);

— снизить затраты на энергопотребление по сравнению с принудительной системой охлаждения маслом баббитовых подшипников скольжения;

— исключить экологические аварии, связанные с утечкой масла из систем смазки выносных баббитовых подшипников.

Углепластик ФУТ также использован в подшипниковом узле высокоскоростного насоса ВЦНС 25-1100 за второй ступенью насоса. Доказано успешное применение этого материала при окружных скоростях до 40 м/с. Проведена замена твердосплавных встроенных подшипников с муфтовой и полевой сторон на подшипники ФУТ в насосе ЦНС 180-1900 ЗТ-М производства ОАО «Сумское МНПО им. М.В. Фрунзе.

Имеется положительный опыт применения подшипников из углепластика ФУТ в насосах марки ЦНС для перекачивания нефти и нефтепродуктов, например на ОАО «Башнефть».

Подшипники из углепластика ФУТ-Б в составе насоса марки ПКБТ-230 Р2Э (питательный конденсатный бустерный турбонасос) прошли успешные испытания на стенде ОАО «Пролетарский завод». Условия работы подшипников скольжения насоса ПКБТ аналогичны условиям работы подшипников конденсатных насосов, например, КН 320-160, ЭКН 320-90-1, ЭКН 320-130 и др. Успешные результаты испытаний позволяют рекомендовать эти подшипники для многочисленных конденсатных и питательных насосов, эксплуатирующихся на энергетических установках ТЭЦ, ТЭС, АЭС и СЭУ. Опытный образец подшипника работает в насосе ЭКН 320-130 на Северо-западной ТЭЦ «Ленэнерго».

Насосы марки ВА-4500-50 и ВА-5500-50 с подшипниками из углепластика ФУТ прошли успешные испытания на стенде ОАО «Сумское машиностроительное НПО им. М.В. Фрунзе» (Украина) и установлены на 30 насосах АЭС «КуданКулам» (Индия). Принято решение об установке подшипников из углепластика марки ФУТ-Б в насосы ЭУ судов большого водоизмещения.

Кроме подшипников скольжения модифицированные углепластики ФУТ были успешно применены в торцевых уплотнениях конденсатных насосов ЭУ атомных ледоколов взамен торцевых уплотнений из силицированного графита в импортных насосах. Максимальное время их эксплуатации 12 тыс. ч при работе в перегретой воде (t = 90125 C) по кольцам из керамики или закаленной стали.

                                                Узлы трения насосов из углепластика УПФС

Как было сказано выше, область применения антифрикционных углепластиков ФУТ и его модификаций ограничено температурой перекачиваемой жидкости 125 оС. В то же время существуют трибопары, которые должны устойчиво работать при температурах до 200 оС. Например, трибопары питательных и конденсатных насосов, паровых турбин, арматуры трубопроводов теплоцентралей и трубопроводов контуров охлаждения на атомных станциях. Для антифрикционных углепластиков, предназначенных для работы при высоких температурах, нами разработан новый теплостойкий углепластик марки УПФС с полимерной матрицей — термопластичным полифениленсульфидом. Достоинством этого материала являются его высокая теплостойкость, гидролизостойкость в перегретой воде с температурой до 200 оС. Кроме того, в связи с высокой вязкостью расплавов и нерастворимостью ПФС в обычных растворителях, потребовалось создание технологии получения препрегов пропиткой из расплава связующего с последующим их прессованием при высокой температуре.

Подпятник центробежного насоса из углепластика УПФС прошел успешные стендовые испытания при температуре до 200°C, скорости скольжения 16 м/с, контактном давлении 1,0 МПа. В настоящее время проводятся работы по установке таких подшипников на реальные насосы энергетических установок судов и ТЭЦ [8].                                                 Электроизоляционные материалы. В настоящий момент ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» производятся несколько видов теплостойких стеклопластиков для применения в качестве конструкционных и электроизоляционных материалов. Материалы СТЭТ-1 и СТЭТ-2представляют собой стеклопластики на основе эпоксидного связующего, имеют высокие физико-механические характеристики. В материале СТЭТ-2 используется теплостойкая термореактивная полифункциональная эпоксиаминная матрица, позволившая повысить максимальную рабочую температуру материала со 100°С (СТЭТ-1) до 160°С. Стеклопластик СПФС – стеклопластик на основе частично кристаллического термопластичного полимера – полифениленсульфида (ПФС). Стеклопластик обладает высокими физико-механическими характеристиками, сохраняющимися вплоть до 200°С. Кроме того, эксплуатация при повышенных температурах не приводит к значительной деградации диэлектрических характеристик материала. Стеклопластик СТ-CN на основе суперсшитого цианатэфирного связующего. Обладает максимальной стабильностью свойств при высоких температурах – деградация физико-механических характеристик при температурах выше 200°С не превышает 15%, стеклопластик имеет наивысшее значение удельного сопротивления при повышенных температурах. Работоспособен при температурах свыше 250°С. Основные характеристики разработанных стеклопластиков приведены в таблице 2.     Таблица 2. Характеристики электроизоляционных стеклопластиков.

	Разрушающее напряжение при сжатии, МПа	Удельное объемное сопротивление, 1012 Ом·м	Электрическая рочность, кВ/мм	tgδ, 50 Гц
	20°С	140°С	160°С	200°С	280°С	20°С	120°С	160°С	200°С	20°С	20°С
СТЭТ-1	509	132	не работает	2.82	0.028	0.003	6·10-5	29,3	1,27·10-2
СТЭТ-2	515	283	276	не работает	4.84	0.35	0.054	1·10-4	30,5	0,54·10-2
СПФС	289	—	121	108	Не работает	4.06	0.28	0.005	2·10-4	29,7	0,32·10-2
СТ-CN	295	—	—	—	247	12.43	7.330	0.600	8·10-3	21,9	0,11·10-2

Литература. 8. Богун В.С., Бахарева В.Е., Анисимов А.В. Подшипники скольжения из антифрикционных углепластиков для центробежных насосов энергетических установок/ Вопросы материаловедения – 2010 – №1(61) – с 60-66.