Рабочая жидкость для гидравлических систем
Владельцы патента RU 2399651:
Закрытое акционерное общество "Холдинговая компания "ПромСтройТехнологии" (RU)
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.
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».
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 |
