Способ склеивания защитного полиуретанового покрытия с металлической поверхностью

Способ склеивания защитного полиуретанового покрытия с металлической поверхностью

Реферат

Изобретение относится к способам склеивания защитных покрытий на основе полиуретанов с металлической поверхностью, особенно корпусов приборов для геофизических исследований скважин, для защиты технологического оборудования от воздействия агрессивных факторов, и может быть применено в других отраслях промышленности.

Главными отрицательными факторами, влияющими на качество геофизических исследований, являются физико-химическое воздействие компонентов бурового раствора и флюидов пластов на корпус скважинного прибора, приводящее к его быстрому износу, а также влияние физических параметров раствора и защитных покрытий, затрудняющих само проведение измерений в скважине.

Полиуретаны отличаются повышенной износостойкостью, атмосферо- и озоностойкостью, высокими физико-механическими свойствами, в связи с чем проблема их крепления к металлам представляет значительный интерес.

Известен способ крепления литьевого полиуретана к металлу с применением клея на основе растворов смол винилацетиленовой структуры [1. Хрулев В.М. Синтетические клеи и мастики. М.: Высшая школа. 1970. с.103].

Однако прочность склеивания по сопротивлению на отрыв литьевых полиуретанов этим способом невелика. Известен способ склеивания литьевых полиуретанов с металлами [2. Авторское свидетельство СССР №539934, МКИ С 09 J 5/00; 3/16, 1975. А.М.Медведева; В.С.Берсенева; Л.И.Дроздова; Г.Г.Юдина; Э.К.Чефранова, Л.А.Иотковская и Э.А.Кимель] путем нанесения на поверхность последних клея на основе раствора в органическом растворителе фосфорсодержащей винилэтинилфенольной смолы и совместного отверждения с полиуретановой композицией.

Данный способ обеспечивает высокую прочность склеивания и гидролитическую стойкость, но уровень эластичности в зоне контакта снижается, в результате циклических деформационных нагрузок полученное полиуретановое покрытие разрушается.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ склеивания полиуретанового покрытия с металлической поверхностью путем предварительного послойного нанесения на поверхность клеевой композиции в виде раствора в органическом растворителе смеси сложного полиэфира, диизоцианата и катализатора отверждения и с последующим отверждением [3. Авторское свидетельство СССР №994528, С 09 D 5/00, С 09 J 3/16, 1983. М.А.Жуков, Г.И.Тихонов и др.].

Однако приведенный в прототипе способ склеивания литьевых полиуретанов обеспечивает получение качественного крепления полиуретановой облицовки крупногабаритных валов бумагоделательных машин, но не обеспечивает приемлемого ресурса действия защитного полиуретанового покрытия металлической поверхности скважинных приборов геофизической разведки (табл. поз.1-8).

Технической задачей изобретения является повышение ресурса защитного действия полиуретанового покрытия при комплексном воздействии механических нагрузок, флюидов, частиц разбуренных пластов и реагентов буровых растворов.

Технический результат достигается тем, что при склеивании защитного полиуретанового покрытия с очищенной и обезжиренной металлической поверхностью предварительно наносится клеевая композиция состава, вес.ч.:

трифенилметантриизоцианат	18,0-30,0
органический растворитель
(дихлорэтан или этилацетат)	70-82

толщиной 0,5-5 микрометров, предпочтительно 1-3 мкм, которая выдерживается 15-30 мин при 100°С или 12-18 час при 20-25°С при относительной влажности воздуха 30-98%, а затем наносится защитное покрытие на основе лаковой и(или) литьевой полиуретановой композиции состава [табл. поз.9-16]. Лаковую полиуретановую композицию, представляющую собой раствор полиизоцианата, полученную на основе простых полиэфиров и избытка диизоцианата в органическом растворителе, наносят послойно на металлическую поверхность до образования защитного покрытия толщиной 30-250 мкм, предпочтительно 60-200 мкм, любым известным способом при температуре -10 - +30°С и отверждают при относительной влажности воздуха 60-98,0% в течение 3-24 час. Послойное нанесение лаковой полиуретановой композиции проводят после высыхания предыдущего слоя до степени 3. Обработанную клеевой композицией металлическую поверхность и(или) обработанную лаковой полиуретановой композицией закрывают обогреваемой формой с уплотнением по периметру зоны контакта, нагревают до 100-120°С, а зазор заполняют литьевой полиуретановой композицией и отверждают известными способами.

Использование в качестве клея раствора трифенилметантриизоцианата в дихлорэтане или в этилацетате способствует наибольшему повышению адгезионной прочности лаковых полиуретановых композиций к металлу за счет структурных сеток и реакции между свободными изоцианатными группами второго слоя и уретановыми группами полимера с образованием аллофанатной группировки или, при взаимодействии с мочевинной группой, - биуретовой.

Полиуретановые покрытия геофизических скважинных приборов работают в условиях значительных механических нагрузок со стороны стенок скважин, физико-химических воздействий флюидов пластов, остатков разбуренных пород и реагентов буровых растворов, и вместе с тем покрытие из жесткого полиуретана обеспечивает необходимый баланс между акустической прозрачностью в частях геофизических приборов, где размещены акустические излучатели и приемники отраженного сигнала. Эластичное покрытие на основе литьевой полиуретановой композиции с максимальным поглощением акустического излучения и пакетов волн помех в средней части прибора применяют также для формования башмаков центраторов, которые в наибольшей степени испытывают фрикционное воздействие стенок скважин во время их проработки. Использование лаковых полиуретанов и литьевого полиуретана для защиты корпуса прибора и башмаков центраторов позволяет значительно улучшить проходимость наклонных скважин без использования дополнительных пригрузов даже в условиях растепления скважин в зоне вечной мерзлоты, что приводит к образованию пробок и уступов.

Этим способом проводят приклеивание к металлу в процессе отверждения литьевых полиуретанов на основе СКУ-ПФЛ-100 (полиокситетраметиленгликоль с молекулярным весом 1000 и 2,4-толуилендиизоцианат с отвердителем 4,4'-метилен-бис-ортохлоранилином). Остальные марки полиуретана приготавливаются на той же основе, что и СКУ-ПФЛ-100, разница состоит в том, что отвердитель для СКУ-ПФЛ-100 вводится в виде расплава; для ГУП-5 - в виде порошка; для ГУП-26 - дополнительно вводится 1,4-бутандиол в смеси с полиокситетраметиленгликолем и метилметакрилатом; отвердителем для ГУП-82 является смесь полиокситетраметиленгликоля, глицерина и 4,4'-метилен-бис-ортохлоранилина в соотношении 0,25:0,25:0,4.

В качестве лаковых полиуретанов для формирования защитного покрытия на корпусе и рессорах центраторов геофизических скважинных приборов применяли лак "Протект" ТУ 84-07509103.418-94, представляющий собой этилацетатный раствор полиизоцианата с сухим остатком 60-80%, полученный в результате реакции между избытком полиизоцианата и полиэфиром Лапрол 4503.

"Лактур" ТУ 84-07509103.498-98 является бутилацетатным раствором полиизоцианата, полученного в результате реакции между полиэфиром Лапрол 5003 и избытком полиизоцианата в присутствии перхлорвиниловой смолы.

Реалур ТУ 84-07508103.505-99 является бутилацетатным раствором полиизоцианата, полученного на основе Лапрола 5003 и 4,4'-дифенилметандиизоцианата.

АКП-УР ТУ 84-07509103.466-96 является ацетоновым раствором полиизоцианата, полученного на основе смеси низкомолекулярных простых полиэфиров с избытком 2,4-толуилендиизоцианата.

Способ реализуется следующим образом.

Пример 1. Поверхность металла корпуса прибора МАК-2, рессоры центратора и кронштейны башмаков-центраторов обрабатывают дробеструем или пескоструем и обезжиривают ацетоном или бензином. Наносят любым известным способом клеевую композицию на основе раствора трифенилметантриизоцианата в дихлорэтане (клей Лейконат) или в этилацетате (Desmodur RE). Контроль толщины отвержденного покрытия проводят известными приборами-толщиномерами - магнитоэлектрическим или ультразвуковым способами - по прилагаемым к прибору сертифицированным поверочным эталоном толщины. При нанесении клеевого покрытия аэрографом для контроля толщины покрытия удобнее пользоваться заранее приготовленным эталоном на плоской пластинке из той же марки металла, прошедшей ту же предварительную подготовку и покрытую клеевой композицией с известной толщиной покрытия (одна сторона - 1 мкм, вторая сторона - 3 мкм). На цилиндрической поверхности стандартные толщиномеры дают погрешность более 0,5 мкм. Применение кистей для нанесения клеевой композиции не желательно по причине их быстрого (в течение 3-5 минут) разрушения.

При толщинах клеевого покрытия менее 0,5 мкм и более 3 мкм на металлической поверхности прибора МАК-2 в области расположения генератора ультразвуковых импульсов происходит отслоение полиуретанового покрытия, образованного отверждением полиизоцианата, нанесенного на поверхность в виде раствора в ацетоне, этилацетате или бутилацетате, атмосферной влагой в процессе продолжительных последовательных ультразвуковых импульсов генератора МАК-2 в среде пластовых флюидов. Такой же характер отслоения полиуретанового покрытия наблюдается в случае наличия молочного оттенка покрытия и мелких газовых включений в слоях покрытия и в слоях полиуретанового покрытия толщиной более 250 мкм. В этом случае дефектные участки зачищают пескоструем, обезжиривают и повторяют обработку заново. Полиуретановое покрытие толщиной 60-200 мкм обеспечивает оптимальное окно прозрачности для прохождения ультразвуковых импульсов через поверхность металл + полиуретановое покрытие на участках, где расположены генератор и приемник ультразвука.

Покрытую клеевой композицией поверхность металла корпуса прибора и рессор центратора оставляют на 12-18 час при 20-25°С и относительной влажности воздуха 30-98% или термообрабатывают 15-30 минут при 100°С. Затем на поверхность наносят кистью или распылителем однокомпонентный полиуретановый лак, представляющий собой раствор полиизоцианата, полученного на основе простых полиэфиров с избытком диизоцианата в органическом растворителе - ацетоне, этилацетате или бутилацетате в зависимости от его марки слоем 30-70 мкм в интервале температур от -10°С до +30°С, отверждают до степени 3 при относительной влажности воздуха 60-98% и далее в том же порядке наносят второй и третий слои полиуретанового лака, после нанесения последнего слоя и отверждения до степени 3 получают покрытие толщиной 30-250 мкм, делают выдержку 24 час (табл., поз.9-12). Контролируют толщину покрытия известным толщиномером и при необходимости наносят дополнительное покрытие.

Пример 2. Приклеивание литьевого полиуретана на основе СКУ-ПФЛ-100, ГУП-5, ГУП-26 или ГУП-82 на среднюю часть прибора МАК-2, покрытую клеевой композицией и защитным полиуретановым покрытием, полученным в примере 1 и представляющую собой металлическую толстостенную трубу, боковая поверхность которой представляет собой сложную систему фрезерованных пазов разной ширины на глубину до 50% толщины трубы и развернутых друг относительно друга на разные углы для обеспечения разрыва акустической связи между генератором ультразвука и приемником сигналов, размещенными на противоположных гладких концах трубы. Среднюю часть трубы закрывают обогреваемой металлической формой, уплотняют по плоскостям контакта, подогревают до 100-120°С, заливают в зазор известную литьевую полиуретановую композицию (на основе СКУ-ПФЛ-100, ГУП-5, ГУП-26 или ГУП-82) и отверждают известным способом. В результате получают абсолютно гладкую поверхность корпуса МАК-2, имеющего на внешней поверхности два вида защитных полиуретановых покрытий. На гладких концах трубы полиуретановое покрытие имеет окна прозрачности для ультразвуковых колебаний, а в средней части прибора полиуретановое покрытие обладает свойствами акустического демпфера и дополнительно поглощает ультразвук.

Пример 3. Металлические кронштейны башмаков центратора, покрытые клеевой композицией на основе раствора трифенилметантриизоцианата в дихлорэтане (клей Лейконат) или в этилацетате (Desmodur RE) слоем 1-3 мкм, как описано в примере 1, заключают в металлические формы, представляющие собой часть шарового сегмента, диаметром соответствующие диаметру разведочной скважины с уплотнениями по периметру и снабженные нагревателем, и подогревают до температуры 100-120°С. Через заливочные горловины в зазор заливают известную литьевую полиуретановую композицию на основе СКУ-ПФЛ-100, ГУП-5, ГУП-26 или ГУП-82 и отверждают известным способом.

В результате получают гладкие износостойкие башмаки, позволяющие точно центрировать в скважине геофизический разведочный прибор МАК-2 и не использовать дополнительных пригрузов при прохождении наклонных участков скважин, особенно в условиях многолетних мерзлых пород.

Испытания покрытого полиуретаном скважинного аппарата МАК-2 проводили в условиях комплексного воздействия на газоконденсатных скважинах месторождений Крайнего Севера.

Ресурс защитных характеристик адгезионного покрытия и амплитуду полезного сигнала оценивали осмотром внешней поверхности покрытия, анализом качества акустических спектрограмм и уровнем снижения трудозатрат на очистку скважинного аппарата от скважинных флюидов при повторном сканировании профиля скважин.

В таблице приведены результаты испытаний покрытий на приборе МАК-2, полученных в соответствии с прототипом способа приклеивания полиуретанов (табл. поз.1-8) и по предлагаемому способу (табл. поз.9-16).

Преимуществом предлагаемого способа является то, что приклеивание полиуретанового покрытия на металлическую поверхность позволяет в среднем в 6 и более раз увеличить срок эксплуатации геодезического прибора для разведки скважин против такого же полиуретанового покрытия, приклеенного по способу-прототипу, при значительном улучшении комплекса акустических характеристик сигнала в приемнике-регистраторе.

По предлагаемому способу покрыты ПУ два геофизических прибора МАК-2, которые проходят ресурсные испытания в условиях Крайнего Севера.

Пройдено более 30000 метров спускоподъемных операций в наклонных скважинах. Упрощено техническое обслуживание прибора, защитная пленка после двух месяцев работы не имеет следов износа.

Пример	Эластомер	Характер следов разрушения покрытия	Влияние на спектр акустического сигнала	Срок эксплуатации, дни
		износ	отслоение
1	Протект	-	+	-	5
2	Лактур	-	+	-
3	Реалур	-	+	-	7
4	АКП-УР	-	+	-	5
5	СКУ-ПФЛ	-/+	+	+	10
6	ГУП-5	-/+	+	+	7
7	ГУП-26	-/+	+	+	8
8	ГУП-82	-/+	+	+	7
9	Протект	-	-	-	>60
10	Лактур	-	-	-	>60
11	Реалур	-	-	-	>60
12	АКП-УР	-	-	-	>60
13	СКУ-ПФЛ	-/+	-	+	>60
14	ГУП-5	-/+	-	+	>60
15	ГУП-26	-/+	-	+	>60
16	ГУП-82	-/+	-	+	>60
Примечание. Износ: - - отсутствие+ - наличие значительного-/+ - следыОтслоение:+ - наличие- - отсутствиеАкустический сигнал:+ - поглощение- - отсутствие поглощения

1. Способ склеивания защитного полиуретанового покрытия с металлической поверхностью, включающий предварительное нанесение клеевой композиции с последующей выдержкой, нанесение литьевой полиуретановой композиции и ее отверждение, отличающийся тем, что предварительно наносят покрытие клеевой композиции на основе раствора трифенилметантриизоцианата в органическом растворителе, при следующем соотношении компонентов, вес.ч.:

Трифенилметантриизоцианат	18,0-30,0
Органический растворитель	70-82

толщиной 0,5-5 мкм, предпочтительно 1-3 мкм, выдерживают 15-30 мин при 100°С или 12-18 ч при 20-25°С и относительной влажности воздуха 30-98%, затем наносят защитное покрытие на основе лаковой полиуретановой и(или) литьевой полиуретановой композиции и отверждают его известным способом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что лаковую полиуретановую композицию, представляющую собой раствор полиизоцианата в органическом растворителе, наносят послойно на металлическую поверхность до образования защитного покрытия толщиной 30-250 мкм, предпочтительно 60-200 мкм, любым известным способом при температуре от -10 до +30°С и отверждают при относительной влажности воздуха 60-98,0% в течение 3-24 ч.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что послойное нанесение лаковой полиуретановой композиции проводят после высыхания предыдущего слоя до степени 3.

4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что обработанную клеевой композицией металлическую поверхность и(или) лаковой полиуретановой композицией закрывают обогреваемой формой с уплотнением по периметру зоны контакта, нагревают до 100-120°С, а зазор заполняют литьевой полиуретановой композицией и отверждают известными способами.