Учёные Дальневосточного федерального университета создали армированные уплотнения для шельфа и Арктики, которые будут сдерживать высокое давление внутри нефтяных труб, обеспечивая безопасную транспортировку нефти и газа. Эти небольшие, но критически важные детали предназначены для работы в самых экстремальных климатических условиях в труднодоступных регионах страны. Они не только заменят ушедшие импортные детали, но и превзойдут их по устойчивости к холоду и агрессивным средам. Разработки ведутся в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Армированные уплотнения – это особые конструктивные элементы изделий, которые играют защитную, изолирующую и герметизирующую роль. Необходимые свойства таких элементов получаются с помощью двух главных компонентов:
- арматуры – внутреннего каркаса, обычно из нержавеющей стали или сверхпрочного пластика. Он нужен для того, чтобы уплотнение плотно сидело на своем месте, сохраняло форму и положение под действием высокого давления;
- эластомера – слоя специальной резины, каучука или тефлона, который обволакивает арматуру. Именно эта часть плотно прилегает к деталям и предотвращает утечку жидкости или газа.
Сама концепция «армирования» (усиления) резины металлом появилась еще в первой половине XX века и успешно эксплуатировалась многие десятилетия. Первые патенты на радиальные сальники с металлическим каркасом датируются 1920-30-м годом. Однако вопрос замены существующих материалов на новые с каждым днем стал звучать все чаще, что обусловлено необходимостью повышения производительных мощностей при меньших затратах на обслуживание и ремонт оборудования. Сейчас происходит технологический прорыв, формируется новая версия изделий для российской нефтегазовой отрасли.
«Этот проект – блестящий пример того, как фундаментальная наука превращается в реальный продукт с колоссальным экономическим эффектом. Раньше такие уплотнения мы закупали за рубежом. Но сегодня, когда вопросы технологического суверенитета выходят на первый план, мы не просто заместили импорт, а сделали шаг вперед. За счет полной локализации производства и отсутствия таможенных пошлин, стоимость таких систем станет дешевле западных аналогов. А нахождение производственных мощностей внутри страны позволяет сократить сроки поставки оборудования и запасных частей в несколько раз, исключая риски, связанные с международной логистикой и санкционными ограничениями. К тому же эти разработки проектируются с учетом уже существующей инфраструктуры российских месторождений, что упрощает их интеграцию и снижает затраты на переоборудование. Поддержка государства позволит нам создавать продукцию, которая в ближайшем будущем будет успешно конкурировать на экспортных рынках, задавая новые стандарты надежности», – рассказала проректор по развитию ДВФУ Наталья Ватолкина.
Армированные уплотнения нужны везде, где есть движение, вращение, высокие давления и агрессивная среда. На нефтяных вышках и платформах: там они стоят в «превенторах» — кранах больших габаритных размеров, которые должны мгновенно перекрыть скважину, если нефть под крайне высоким давлением решит вырваться наружу. В насосах и компрессорах: когда вал крутится со скоростью тысячи оборотов в минуту, обычная прокладка сгорит. Армированная манжета (её часто называют «сальником») держит герметичность годами. В трубах и арматуре: чтобы на стыках газопроводов, проложенных по дну океана, не было утечек, которые невозможно починить вручную. И даже в автомобилях: «течь сальника» в двигателе или коробке передач — это как раз выход из строя армированного уплотнения, которое удерживает масло внутри мотора.
«Наше оборудование изначально проектируется для работы в экстремальных условиях Арктики и Крайнего Севера. Оно работает в условиях, где давление может быть как на дне Марианской впадины. Температурный диапазон благодаря исследованию расширен до границ от -40°C до +180°C. За счет оптимального сочетания армирования и эластомера срок службы при высоком давлении (до 100 МПа) увеличивается кратно. Помимо этого, созданные уплотнения на 50% устойчивее к сероводороду и углекислоте, а газопроницаемость снижена на 25%. В переводе с технического языка – это означает, что мы кратно увеличим срок службы оборудования и сведём к минимуму риск аварий, подобных той, что случилась в Мексиканском заливе», — поделился руководитель проекта «Разработка армированных эластомерных композиций и полимерных материалов для систем подводных добычных комплексов» Максим Куракин.
Главный враг любого уплотнения на шельфе – газовая декомпрессия. Это явление, при котором газ под давлением буквально разрывает материал изнутри, когда давление падает. Новые материалы успешно прошли испытания на стойкость к этому опасному эффекту. Для того чтобы проводить такие тесты прямо в университете, ученые спроектировали уникальный стенд ресурсных испытаний. Это совокупность измерительного, управляющего, регулирующего, технологического и другого типа оборудования, которое предназначено для специальных, контрольных, прочностных, ресурсных, приемочных и других видов испытаний разнообразных изделий и агрегатов. Теперь весь цикл от идеи до готового прототипа замыкается в стенах вуза.
«Разработка уже сегодня готова решать конкретные задачи бизнеса. Получив запрос от нефтяников, команда проекта приступает к работе. В неё входят не только опытные инженеры-исследователи, но и молодые и идейные студенты, магистранты, аспиранты: химики, технологи, конструкторы и экологи с опытом работы в разных отраслях промышленности в реальном секторе экономики. Они подбирают оптимальную рецептуру полимерного композита. Затем создаётся пресс-форма (её производство полностью локализовано, чтобы не зависеть от иностранных поставщиков), изготавливается опытный образец и отправляется на испытания на новый стенд. Только пройдя все эти этапы, изделие попадает к потребителю, а разработчики остаются на связи, чтобы оперативно вносить коррективы в технологию по итогам эксплуатации», – добавил руководитель проекта «Полимеры для нефтегазовой отрасли и нефтехимии» Максим Куракин.
Технология позволяет получить свойства, недоступные обычным металлам и пластику. Главные преимущества таких материалов — абсолютная стойкость к коррозии в соленой морской воде, высокая прочность при малом весе (что снижает нагрузку на подводные конструкции) и исключительная долговечность в условиях высокого давления и низких температур. Благодаря наработкам текущего года, ученые ДВФУ могут не только разрабатывать новые рецептуры под конкретные задачи индустриальных партнеров, но и сразу получать готовые опытные образцы для натурных испытаний и дальнейшего внедрения в производство.
В 2026 году на основе всех наработок ученых планируется создать не только серию уплотнений, но и прототип протектора бурильной трубы, а также приступить к проектированию полимерных конструкций для армирования автозимников — ледовых дорог, по которым идет завоз грузов в северные районы.
Инфраструктура кампуса, в том числе научно-исследовательская, постоянно развивается. В 2024 году по отдельному поручению Президента России Владимира Путина Дальневосточный федеральный университет вошел в программу строительства кампусов мирового уровня в рамках национального проекта «Молодёжь и дети». Вторая очередь кампуса будет включать новый комплекс общежитий. К 2030 году в рамках проекта будет построено 25 новых кампусов российских университетов. Работу по данному направлению ведёт Правительство Российской Федерации и Минобрнауки России.
