Эксплуатация и ремонт машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов 

Склеивание металлов основано на способности некоторых неметаллических материалов образовывать достаточно прочные связи с металлом. Клеи для ме­таллов обычно приготовляют на основе термореактивных или термопластичных полимеров, которые после отверждения обладают достаточно высокой меха­нической прочностью (когезионная прочность) и хорошим сцеплением с метал­лами (адгезионная прочность).

Клеи на основе термореактивных полимеров позволяют получать прочные и теплостойкие соединения. По отношению к тепловому воздействию они явля­ются необратимыми системами. Клеи этой группы применяют в силовых метал­локонструкциях .

Клеи на основе термопластичных полимеров обладают меньшей проч­ностью и более низкой теплостойкостью. С повышением температуры подобный клеевой слой размягчается и склеенные поверхности разъединяются. Приме­няют их для несиловых конструкций, работающих при невысоких темпера­турах.

По внешнему виду клеи для металлов можно разделить на жидкие, пасто­образные, пленочные и порошкообразные.

В зависимости, от температуры отверждения клеи делятся на составы холодного и горячего отверждения.

Клеи холодного отверждения не требуют специального прогрева в процессе склеивания. Однако они обладают меньшей прочностью и более низкой тепло­стойкостью по сравнению с клеями горячего отверждения.

Клеи могут быть однокомпонентными и многокомпонентными. Однокомпонентные клеи приготовляют на химическом предприятии и поставляют потре­бителю в готовом виде, многокомпонентные — приготовляют перед употреб­лением.

В состав многокомпонентного клея, помимо основного связующего веще­ства, могут входить: отвердители клеевого состава, растворители, препятст­вующие преждевременному отверждению клея и облегчающие его нанесение на склеиваемые поверхности; инициаторы, ускоряющие процесс отверждения клеевого слоя; наполнители и пластификаторы, позволяющие получить клеевой слой с требуемыми физико-механическими свойствами, а также стабилизаторы, тормозящие процессы старения в клеевом слое при эксплуатации.

Для склеивания металлов используется большое число различных клеев (табл. 5.16 и 5.17). Наибольшее применение в нагруженных металлоконструк­циях нашли клеи на основе феноло-формальдегидных, эпоксидных, полиуретановых, полиамидных, полиэфирных и кремнийорганических смол. Соединения металлов на этих клеях различны по физико-механическим свойствам и техно­логии изготовления.

Выбор клея в каждом конкретном случае должен определяться конструк­цией склеиваемого узла, условиями его эксплуатации и производственными возможностями ремонтного предприятия. Как видно из табл. 5.16 и 5.17, клеи, которые обладают более высокой механической прочностью и повышенной теплостойкостью, требуют при отверждении повышенную температуру и боль­шие контактные давления, что в большинстве случаев может быть обеспечено только в условиях ремонтных баз. Другая часть клеев, обладая несколько меньшей прочностью и теплостойкостью, может отверждаться при комнатной температуре и без высоких контактных давлений, что позволяет использовать эти клеи непосредственно в условиях эксплуатации бурового и нефтегазопромыслового оборудования.

Физико-механические свойства клеевых соединений металлов сущест­венно зависят от совершенства технологии склеивания.

Основными операциями процесса  склеивания являются:

1)    подготовка  металлических  поверхностей к  склеиванию;

2)        приготовление  клеевого  состава;

3)        нанесение клея на поверхность (способ нанесения клея, его количество
и режимы подсушивания нанесенного клея перед соединением поверхностей);

4)        отверждение клеевого слоя (продолжительность выдержки, температура
и давление в процессе отверждения).

Подготовка поверхности к склеиванию предусматривает тщательную ее очистку, удаление поверхностных окислов, увеличение фактической площади поверхности и повышение ее активности. Загрязнения и масляные пленки ухудшают смачивание поверхности клеем, уменьшают адгезию, а следовательно, снижают прочность соединения. На ремонтных предприятиях применяются механические и физико-химические методы очистки.

Из механических методов нашли применение:

1)       очистка ручными инструментами (скребками, абразивным кругом, металлическими щетками,  абразивной шкуркой);

2)       пескоструйная, дробеструйная и гидропескоструйная обработки;

3)       очистка   дисковыми   проволочными   щетками.

К физико-химическим методам очистки относится очистка металлической поверхности органическими растворителями, или специальными моющими средствами.

Для обезжиривания поверхностей применяют различные органические растворители или их смеси. Минеральные масла и животные жиры удаляют бензином или ацетоном. Для обезжиривания применяют также водный раствор из тринатрийфосфата (50—70 г/л), жидкого стекла (25—35 г, л) и жидкого мыла (3—5 г/л). Обработка поверхности раствором проводится в течение 3—5 мин при температуре 75—80° С с последующей промывкой в теплой воде.

Качество приготовления многокомпонентного клея зависит от правиль­ности дозировки отдельных компонентов в процессе приготовления клея и от тщательности перемешивания клеевой смеси.

Многокомпонентные клеи можно разделить на две основные группы. К пер­вой группе относятся клеи, представляющие собой растворы различных поли­меров или их смесей в органических растворителях. Смесь готовят в сосудах из нержавеющей стали, оборудованных мешалками. Готовую смесь фильтруют для очистки от посторонних примесей. Ко второй группе относятся клеи на основе синтетических смол, отверждающиеся при введении специальных доба­вок, в частности, клеи на основе эпоксидных смол.

Технология приготовления эпоксидных клеев заключается в последова­тельном введении в эпоксидную смолу отдельных компонентов. Обычно про­цесс приготовления начинается с введения пластификатора. В эпоксидную смолу (лучше подогретую до 50—60° С) вводят в соответствии с рецептом тре­буемое количество пластификатора и смесь тщательно перемешивают.

Наполнитель вводят в клеевую смесь постепенно, небольшими порциями при одновременном тщательном перемешивании для обеспечения полного сма­чивания отдельных частиц наполнителя.

«Жизнеспособность» приготовленных эпоксидных клеев холодного отвер­ждения, т. е. пригодность их к применению, обычно не превышает 1—2 ч, поэтому отвердитель следует вводить в клеевой состав непосредственно перед употреблением. В некоторых случаях для увеличения «жизнеспособности» эпоксидных клеев холодного отверждения применяют комбинированные отвердители, представляющие собой смесь отвердителей холодного и горячего отвер­ждения. Эпоксидные клеи горячего отверждения могут длительно сохраняться в готовом для применения виде.

Способ нанесения клея на металлическую поверхность зависит от его вяз­кости, условий производства, формы и площади склеиваемых поверхностей.

Жидкие клеи в зависимости от их вязкости наносят на склеиваемые поверх­ности кистью, шпателем, мастерком, роликом, клеевыми вальцами, поливом, распылением из пульверизатора или погружением деталей в клей. Распыление целесообразнее применять при склеивании больших поверхностей. Для сниже­ния вязкости клея применяют соответствующие растворители. Клей наносят на обе склеиваемые поверхности для лучшего заполнения неровностей.

Клей, содержащий растворители, наносят на поверхность несколькими слоями с открытой выдержкой каждого слоя для удаления растворителя. Про­должительность открытой выдержки и температура зависят от марки клея (см. табл. 5.17).

Все более широкое применение при склеивании металлов находят пленоч­ные клеи, которые обычно накладывают на подслой жидкого клея той же марки. Сначала наносят на склеиваемые поверхности слой жидкого клея, дают откры­тую выдержку, затем клеевую пленку закладывают между соединяемыми по­верхностями и производят отверждение клеевого слоя при соответствующих режимах. Количество клея, наносимого на металлическую поверхность, зави­сит от физико-химических свойств клея, плотности прилегания склеиваемых поверхностей и их шероховатости. Необходимо учитывать, что толщина клее­вого слоя оказывает большое влияние на прочность соединения. С увеличением толщины слоя прочность соединения снижается, что связано с ростом внутрен­них напряжений и увеличением числа дефектов в полимерной прослойке.

Для клеев с испаряющимися растворителями увеличение толщины слоя вызывает более резкое падение прочности соединения из-за неравномерности распределения полимера в слое и проявления масштабного фактора (рис. 5.40).

Применение полимеризующихся клеев, типа эпоксидных, характеризу­ющихся незначительной усадкой, позволяет получать более толстый и менее дефектный клеевой слой, обеспечивающий достаточно высокую прочность со­единения. Для большинства клеев оптимальна клеевая прослойка толщиной 0,05—0,1 мм.

Эксплуатационные свойства клеевых соединений в значительной степени зависят от условий отверждения клеевого слоя и, в частности, от темпера­туры, давления и продолжительности процесса отверждения (рис. 5.41). Для различных клеев условия отверждения могут значительно отличаться (см. табл. 5.17). При использовании клеев, отверждение которых сопровождается испарением растворителя или выделением других побочных веществ, необхо­димо в процессе отверждения создавать значительные контактные давления с целью компенсации усадки клеевого слоя и обеспечения его большей плот­ности. Наибольшее давление требуется при использовании пленочных клеев.

Для клеев типа эпоксидных, отверждающихся при незначительных усад­ках без выделения побочных веществ, не требуются большие контактные давле­ния; необходимо лишь обеспечить более равномерную толщину клеевого слоя и постоянный контакт склеиваемых поверхностей на время отверждения клее­вого слоя.

Для создания контактных давлений при ремонте в полевых условиях используют струбцины, хомуты, пружинные или винтовые зажимы и другие приспособления; на ремонтных предприятиях применяют прессы, автоклавы и вакуумные резиновые мешки.

Для тепловой обработки используют электрические контактные ленточные нагреватели, газовые или электрические камеры, инфракрасные лампы, горя­чие плиты, подогреваемые трубчатыми электронагревателями, и индукцион­ные нагреватели.

Значительное влияние на прочность клеевых соединений оказывают кон­структивные факторы и, в частности, форма и размеры клеевого соединения. В клеевых соединениях типа «нахлестка» прочность соединения при сдвиге существенно зависит от толщины склеиваемых деталей и длины клеевого слоя в направлении сдвигающих усилий. Предел прочности клеевого соединения при сдвиге падает по мере увеличения длины нахлестки, что связано с неравно­мерным распределением напряжений по длине (рис. 5.42). С увеличением толщины склеиваемых деталей и неизменной длине нахлестки предел прочности клеевого соединения при сдвиге возрастает.

Наибольшей прочностью обладают соединения, рабо­тающие на равномерный отрыв или «чистый» сдвиг. На рис. 5.43 представлены наиболее распространенные схемы клеевых соединений листовых материалов, труб и валов.

На ремонтных предприятиях склеивание применяют для следующих работ:

1)       соединение частей разрушенных деталей;

2)       заделка трещин, свищей и раковин;

3)    посадка втулок  в гнезда  взамен  запрессовки, приварки и пайки;

4)        восстановление   и   упрочнение   прессовых   посадок
подшипников качения и скольжения;

5)  фиксация сменных деталей;
6)наложение  заплат;

7)герметизация неплотностей в резьбовых, фланцевых и сварных соединениях;

8) наклеивание  фрикционных  накладок.

В практике ремонта бурового и нефтегазопромыслового оборудования эпоксидные клеи используют для ремонта нефтяных резервуаров, трубопроводов и трубопроводной арматуры, насосного и компрессорного оборудования и теплообменной аппаратуры.

На рис. 5.44 представлено рабочее колесо центробежного насоса, отремонтированное способом дополнительных ремонтных деталей с применением клее­вого соединения.

Широкое применение находят эпоксидные клеи при ремонте двигателей внутреннего сгорания и компрессоров, в частности, для устранения мелких и глубоких коррозионных раковин на внутренней полости рубашки цилиндра и в колодцах анкерных шпилек, сквозных трещин на боковой поверхности блока цилиндров, глубоких коррозионных раковин на наружных поверхно­стях гильз блока цилиндров, сквозных трещин и пор в картере двигателя и в крышках блока, а также для устранения других повреждений.

Некоторые применяемые для этих целей составы эпоксидных клеев при­ведены в табл. 5.18.

Применение клеев значительно упрощает технологический процесс ре-люнта деталей, ускоряет его и снижает стоимость ремонта.

Недостатки  клеевых  соединений:

1)       невысокая температура эксплуатации, не превышающая  200—300° С;

2)       низкая прочность при неравномерном отрыве;

3)склонность к «старению» при воздействии различных внешних факторов