Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого (ИММС) НАН Беларуси традиционно активно работает с предприятиями концерна «Белнефтехим» — в частности, с РУП «ПО «Белоруснефть». Направления работ самые разнообразные; как правило, их результатом являются повышение экономических показателей и импортозамещение. Одновременно часто решаются и экологические проблемы. Основным направлением деятельности находящегося возле Речицы Белорусского газоперерабатывающего завода (БГПЗ) является комплексная переработка попутного нефтяного газа (ПНГ), подаваемого из недалеко расположенной установки переработки нефти (УПН). Попутный нефтяной газ имеет непостоянный состав, который зависит от состава перерабатываемой на УПН нефти и содержит метан (около 2/3) и углеводороды С2…С6 и выше. В нем также присутствуют кислород, азот, сероводород, меркаптаны, вода и другие примеси. Основной задачей БГПЗ является разделение попутного нефтяного газа на углеводородные фракции с одновременным выделением серы. БГПЗ — одно из самых современных предприятий такого типа на территории стран СНГ, обеспечивающих практически 100-процентную переработку попутного нефтяного газа. Однако в ходе проведения ремонтных работ неизбежно происходят небольшие выбросы углеводородов. Так как парниковая активность метана в расчете на 100 лет в 28 раз выше, чем у углекислого газа, а в 20-летней перспективе — в 84 раза, то, в соответствии с подписанным и ратифицированным Республикой Беларусь Киотским протоколом, его выброс ограничивается. Именно поэтому работы в области снижения выбросов углеводородов являются одним из приоритетных направлений деятельности завода. Путь снижения выбросов очевиден — уменьшение количества ремонтов, связанных с разгерметизацией технологического оборудования, то есть увеличение межремонтного цикла работы оборудования. При этом одновременно с экологическими проблемами решаются и другие не менее важные задачи: повышается эффективность работы завода и снижаются затраты. Ниже будет рассказано о двух новых работах, выполненных сотрудниками отдела «Физика и механика композиционных систем» ИММС НАН Беларуси: о создании новых фильтр-элементов для очистки ПНГ и разработке белорусского аналога расходных материалов для самодействующих дисковых клапанов для установленных на БГПЗ компрессоров Ariel KBZ/4. Обе работы направлены на импортозамещение, так как только на приобретение зарубежных расходных материалов тратилось много сотен тысяч евро. В любом случае создаваемые отечественные изделия должны были быть более дешевыми и как минимум не уступать западным аналогам по ресурсу.
«Гриф» своего не упустит
Для разработки новых фильтров для БГПЗ в ИММС НАН Беларуси использовался уникальный фторопластовый волокнисто-пористый материал «Грифтекс», получаемый по оригинальной лазерной технологии переработки фторопласта. История создания материала «Грифтекс» и фильтров «Гриф» на его основе была ранее подробно описана в «Вестнике Белнефтехима» в статье «От идеи к наукоемкому товару» (№ 12’2011). «Грифтекс», имея присущие только фторопласту (политетрафторэтилену, тефлону) поверхностные характеристики и уникальную поровую структуру, обеспечивает эффективное улавливание аэрозолей углеводородов и воды, а также эффективную самоочистку. Имеющийся у специалистов института опыт по созданию и эксплуатации фильтр-элементов «Гриф» для очистки компримированного природного газа (КПГ), применяемого в качестве топливного газа на газотурбинных двигателях (ГТД) электростанций и для заправки автомобилей на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС), давал основания для успешного решения поставленной задачи. Для начала мы ознакомились с конструкцией «штатного» импортного фильтр-элемента (картриджа), исследовав предоставленный БГПЗ бывший в употреблении образец и внимательно изучив каждый слой. Фильтр-элемент одного из ведущих в области фильтрации международных концернов был сделан добротно и представлял собой семь слоев металлических сеток и различных пористых материалов. Грамотно были выбраны площадь фильтрации и скорости газовых потоков. Функции и параметры каждого из слоев были понятны, но мы не имели возможности изготовить аналогичный по конструкции фильтр-элемент, так как располагали совершенно другим набором технологий и материалов. Главной проблемой была необходимость создания фильтр-элемента, полностью конструкционно совместимого с установленными на БГПЗ корпусами фильтров. Такая задача ставилась перед нами впервые. Ранее корпуса фильтров разрабатывались специально под конструкцию наших фильтр-элементов — в частности, газ в них всегда подавался снаружи. Имеющееся на БГПЗ оборудование требовало обратного направления подачи газа: изнутри картриджа в корпус фильтра. Применение отработанной конструкции фильтра «Гриф» в этом случае было невозможно, так как главный функциональный слой из относительно непрочного материала «Грифтекс» неизбежно разрушался. Пришлось срочно макетировать новую конструкцию, для отработки которой был привлечен гомельский Научно-технический центр «Ларта», обладающий большими возможностями в области получения пористых слоев методом пневмоэкструзии и значительным опытом в создании разнообразных фильтров. Совместными усилиями была отработана конструкция фильтра «Гриф-Р» с реверсным (обратным) потоком газа. В августе 2014 года был заключен договор между ИММС НАН Беларуси и ПО «Белоруснефть» на поставку одного комплекта (23 штук) фильтр-элементов «Гриф-Р» для БГПЗ. Фитр-элементы имели совершенно другую конструкцию и только по наружным размерам и посадочным местам копировали импортные аналоги. По стоимости они были вдвое дешевле импортных. Фильтр-элементы «Гриф-Р» были установлены на БГПЗ и запущены в работу 16 января 2015 года. Следует отметить, что импортные картриджи практически никогда не вырабатывали заявленного годичного срока работы — сказывалась высокая общая загрязненность ПНГ. По мере работы рос перепад давления в фильтре, и после некоторой величины его пропускная способность настолько снижалась, что компрессорная установка просто останавливалась по блокировке минимального давления на всасывающем направлении. Фильтры «Гриф-Р» изначально показали несколько меньший перепад давления, а в процессе работы они, как и параметры работы компрессора, практически не менялись. В ходе техобслуживания было видно, что внутренние поверхности цилиндров и клапанов компрессорной установки не имеют заметных загрязнений и процесс сепарации проходит в нормальном режиме. Летом 2015 года, примерно через шесть месяцев непрерывной работы, один из фильтр-элементов был изъят корпуса фильтра для анализа. Его вскрытие показало, что основное количество загрязнений улавливается слоем «Грифтекса» и удаляется через специально подобранные пористые дренажные слои. Весной 2016 года после более чем 8 000 часов работы первой партии фильтров было принято решение о полном переходе БГПЗ на работу с фильтрами «Гриф-Р», для чего были заказаны еще три комплекта фильтр-элементов. Серийные фильтр-элементы незначительно отличались от опытных по конструкции. В основном была усовершенствована технология их изготовления. Осенью 2016 года фильтр-элементы «Гриф-Р» были установлены во все корпуса фильтров БГПЗ. В результате можно говорить, что весь добываемый в Беларуси газ проходит очистку на фильтрах «Гриф-Р» производства ИММС НАН Беларуси. Следует отметить, что на БГПЗ было принято решение не заменять фильтр-элементы «Гриф-Р» из первой опытной партии, к работе которых не было претензий, а установить их реальный ресурс. В настоящий момент эти фильтр-элементы уже два года работают без замечаний. То есть сегодня можно говорить, что ресурс «Гриф-Р» превышает ресурс импортных картриджей по крайней мере в 2,5 раза при существенно меньшей стоимости. Отметим, что коллектив научных сотрудников ИММС НАН Беларуси, развивающих данное научное направление, в 2015 году стал лауреатом премии Президиума НАН Беларуси «ТОП-10» результатов деятельности ученых НАН Беларуси в области фундаментальных и прикладных исследований именно за работы по изучению процессов взаимодействия лазерного излучения с фторопластом, что прямо использовалось при разработке фильтр-элемента «Гриф-Р». (Подробнее можно прочесть в № 3’2016. — Прим. ред.)По законам композиции
Другой задачей, поставленной перед специалистами ИММС НАН Беларуси, было создание отечественных расходных комплектующих (полимерных пластин, пружин и других деталей ремонтного комплекта) для самодействующих дисковых клапанов, работающих на БГПЗ компрессоров Ariel KBZ/4. Имея многолетний опыт разработки материалов для поршневых колец и сальниковых уплотнений тяжелых поршневых компрессоров (подробнее в № 1’2011. — Прим. ред.), мы никогда ранее не работали в этом направлении. Условия работы клапана нам были в целом известны. Горячий сжатый газ поднимает пластину из полимерного композита, которая на пути в несколько миллиметров за миллисекунды разгоняется до 50 м/с и затем на этой скорости ударяется о корпус клапана. Газ имеет температуру 130—160 °С и при давлении в десятки атмосфер проходит через щели в пластине со скоростью примерно в половину скорости звука. В таком режиме нормально спроектированный и изготовленный клапан должен отработать несколько тысяч часов, то есть выдерживать примерно 250 млн циклов! Обычно клапаны делают из самых прочных полимеров — например, из полиэфирэфиркетона (PEEK), цена которого достигает 500 евро за килограмм. Аналогичные высочайшие требования предъявляются к материалам пружин, уплотнений. Ведь ПНГ, кроме своей высокой температуры, весьма агрессивен, и не каждая сталь может работать в присутствии сероводорода. Но чем сложнее задача, тем она интереснее. Для начала был проанализирован состав композиционного материала, из которого сделаны штатные клапаны компрессоров, благо в институте для этого есть самое современное оборудование. Следует отметить, что для любого композита достаточно легко определить матрицу, наполнитель, его содержание. Однако специальные добавки, обеспечивающие управление адгезией между матрицей и волокном, модификаторы ударной вязкости, структуроуправляющие компоненты и т.п. обнаружить и идентифицировать крайне сложно. Тем более практически невозможно из анализа материала детали понять технологические особенности ее изготовления, приводящие к формированию заданных структур матрицы, граничных слоев и т.п. Так что анализ состава композита позволяет определить только тип материала, а создание аналога — это полностью новая работа, основанная на имеющемся опыте разработчиков и наборе доступных для них технологий и компонентов. ИММС НАН Беларуси является ведущей в республике научной организацией в области полимерных композиционных материалов, и для создания ударопрочных термостойких композитов были дополнительно привлечены лучшие специалисты других подразделений. Колоссальный опыт разработки разнообразных композиционных материалов и современное технологическое оборудование позволили быстро реализовать задуманное в материале. Но мало создать композит с характеристиками, близкими к аналогу. Надо спроектировать главную деталь самодействующего дискового клапана — пластину и разработать под нее пружины с правильными характеристиками жесткости. Это работа для специалистов по проектированию компрессоров, а не материаловедов. И здесь сработал наш многолетний опыт совместной работы с такими специалистами в области создания новых материалов для поршневых и сальниковых уплотнений поршневых компрессоров. В результате анализа конструкции компрессора по результатам компьютерного моделирования динамики работы клапана была разработана конструкция пластин из наших композиционных материалов. Также были спроектированы новые пружины, жесткость которых учитывала вес и моменты инерции пластин из новых композицитов. Причем для пружин, работающих в таких условиях, подходила только нержавеющая проволока знаменитой шведской фирмы Sаndvik. Закупили необходимые полимеры, наполнители, добавки, проволоку, уплотнения из фторкаучуковой резины, другие комплектующие. Изготовили композит в гранулах. Отлили заготовки в виде дисков. Организовали механическую обработку дисков и выпуск пластин с требуемой точностью, а также выпуск пружин. Отработали входной контроль пружин. И уже через три месяца после заключения договора первый комплект был поставлен на натурные испытания на третью, наиболее напряженную, ступень одного из компрессоров. По техническому заданию, мы должны были обеспечить ресурс работы клапана не менее 3 000 часов. Сегодня пластины из первой опытной партии на самой напряженной третьей ступени уже выдержали более 8 000 часов и продолжают работать. Вторая опытная партия, отличающаяся составом материала, также показывает близкий результат. Но «родные» пластины не выхаживали и 1 000 часов! Успехи на третьей ступени позволили поставить наши пластины и пружины на первую и вторую ступени, где напряженность работы заметно ниже. На начало 2017 года они отходили без замечаний более 2 000 часов, и мы надеемся на успешное окончание испытаний. Конечно, мы здраво оцениваем полученный результат. «Ариэль» — крупнейший в мире производитель поршневых компрессоров для нефтяной и газовой отраслей, компрессоры которого, по оценкам различных независимых организаций, в последние 10 лет занимают около 3/4 мирового рынка в нефтяной и газовой отраслях! Как и любой крупносерийный производитель, он имеет широкую гамму комплектующих изделий, из которых быстро собирает нужную машину. Очевидно, что отдельные узлы подходят не идеально, так как количество градаций ограничено. Мы же не были привязаны к конкретным лежащим на складе деталям и сделали работу более тонко и тщательно. Это как в автомобилях. Легковой «Мерседес» с завода в Штутгарте — очень хорошая машина. Но тюнингованный «Мерседес» от Brabus или AMG — это нечто иное. И мы рады, что нам удалось оперативно сформировать команду специалистов для решения сложных задач в поршневых компрессорах. В настоящее время БГПЗ готовится полностью перейти на белорусские расходные материалы для своих компрессоров, что позволит в несколько раз снизить количество ремонтов и, соответственно, выбросов метана в атмосферу. Среднегодовой экономический эффект только на ремонтных работах на клапанах компрессорных установок прогнозируется в несколько миллионов долларов в год. А ИММС НАН Беларуси, кроме устойчивых заказов на наукоемкую продукцию, получил столь необходимый опыт и сформированную команду специалистов, что позволяет решить аналогичные задачи для других потребителей как в области фильтрации, так и в области расходных материалов для тяжелых компрессоров. Пётр ГРАКОВИЧ, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ГНУ «Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого» НАН Беларуси
