Минеральные покрытия узлов трения для снижения износа
и защиты от коррозии и задира
Износостойкие и коррозионностойкие покрытия для трубопроводной арматуры
Трубопроводная арматура применяется в энергетике, при добыче, транспортировке и переработке нефти и газа, в химической промышленности, в судостроении и других отраслях. По функциональному назначению различают запорную, регулирующую, защитную и предохранительную арматуру. 
В энергетике арматура применяется в условиях высоких температур и давлений. В настоящее время в энергетике ставится задача перехода от сверхкритических к суперсверхкритическим параметрам пара. В мире продолжается разработка технологических систем с давлением более 380 бар при температуре свыше 700°C. Несомненно, это потребует создания арматуры с применением новых материалов, способных выдержать экстремальные условия эксплуатации [1].
При добыче, транспортировке и переработке нефти, в химической промышленности, на флоте большое количество проблем возникает в результате интенсивного химического или электрохимического воздействия на металлическую поверхность сероводорода, углекислого газа, кислорода, высокоминерализованной пластовой и морской воды, различных типов бактерий и других агрессивных компонентов, входящих в состав перекачиваемых флюидов. Даже небольшое, до 2%, содержание CO2 в нефти приводит к коррозионному разрушению металла со скоростью от 3 до 8 мм в год. Проблема внутренней коррозии усугубляется при наличии дополнительных факторов: температура жидкости свыше 85°С, скорость потока более 3 м/с, наличие твердых взвешенных частиц в потоке, нагрузки, а также периодическая прокачка химически агрессивных технологических жидкостей, с целью интенсификации добычи нефти (неорганические и органические кислоты, щелочные растворы и т.п.). Например, скорость коррозии 10-20% раствора HCl при температуре 80-90°С может достигать 1000 мм/год. [2]
Все эти факты свидетельствуют о необходимости применения в арматуре износостойких и коррозионностойких покрытий на основе твердомазочных материалов. Минеральные покрытия снижают трение, защищают металл узлов трубопроводной арматуры от износа, коррозии и эрозии, работают в условиях пар трения металл/металл при высоких температурах и давлениях.
Ресурс трубопроводной арматуры всех типов определяется ресурсом ее основных узлов. Основные узлы:
-
ходовая резьбовая пара;
-
ходовая гладкая пара;
-
сальник (набивка-шток);
-
контактная пара (пята-подпятник);
-
затвор (седло-запорный орган).
Износостойкие и коррозионностойкие минеральные покрытия могут быть применены во всех основных узлах арматуры: в резьбовых соединениях, при обработке штоков, гладких ходовых пар, в уплотнениях, в контактных парах пята-подпятник, в затворах (седло-запорный орган). В уплотнениях с парами трения металл/терморасширенный графит (ТРГ), металл/резина, металл/фторопласт, металл/керамика и в парах трения металла с другими материалами набивок минеральное покрытие наносится на поверхность металла. Утечки снижаются, ресурс уплотнения повышается за счет снижения трения и износа набивки. Минеральное покрытие может быть применено для повышения надежности шаровых кранов, задвижек, клапанов, дисковых затворов.
Пример.
В регулирующем клапане РК 102 использовался электропривод МЭОФ-250, развивающий момент вращения 250 Нм; в уплотнительном узле применялись кольца из терморасширенного графита. Техническое задание состояло в том, чтобы понизить крутящий момент путем нанесения на металл антифрикционного покрытия.
В нашей компании были проведены работы по нанесению минерального покрытия на цилиндрическую поверхность двух шпинделей в паре трения металл/терморасширенный графит. Покрытия (1 и 2) отличались по химическому составу.
Измерения крутящего момента. Клапан регулирующий был собран, проведена опрессовка при испытательном давлении 380 кг. Испытания [3] проводились путем измерений крутящего момента с помощью динамометрических ключей.
Образцы шпинделей характеризуются следующими крутящими моментами:
|
Образец |
Крутящий момент, Нм |
|
Стандартный |
150 |
|
Шпиндель с минеральным покрытием: образец 1 |
20 25 |
|
Шпиндель с минеральным покрытием: образец 2 |
60 80 |
Испытания на стенде с водой. Применялось давление 300 атм. Клапан (шпиндель с минеральным покрытием 1) обеспечивал требуемую герметичность, привод МЭОФ-40 успешно проводил открытие-закрытие клапана.
Характеристики приводов: МЭОФ-250 – вес 28 кг. МЭОФ-40 – вес 7-7,5 кг.
Выводы. Благодаря нанесению на шпиндель минерального покрытия крутящий момент был уменьшен в 6 раз. Нанесение антифрикционного покрытия позволяет вместо электропривода МЭОФ-250 использовать более компактный привод МЭОФ-40, весящий в 4 раза меньше.
Оценка износа основных узлов арматуры [3]
Состояние ходовой резьбовой пары арматуры обычно оценивают по следующим параметрам косвенной оценки износа:
-
изменение эл. параметров эл. двигателя привода;
-
изменение люфта в соединении;
-
изменение вибрации, шума;
-
весовые изменения.
Состояние ходовой гладкой пары арматуры оценивают по следующим параметрам косвенной оценки износа:
-
изменение эл. параметров эл. двигателя привода;
-
местное изменение поверхности;
-
весовые изменения;
-
изменение крутящего момента.
Состояние сальника (набивка-шток) оценивают по следующим параметрам косвенной оценки износа:
-
изменение эл. параметров эл. двигателя привода;
-
изменение крутящего момента;
-
изменение утечки.
Состояние контактной пары (пята-подпятник) оценивают по следующим параметрам косвенной оценки износа:
-
изменение крутящего момента;
-
местное изменение поверхности.
Состояние затвора (седло-запорный орган) оценивают по следующим параметрам косвенной оценки износа:
-
местное изменение поверхности;
-
изменение вибрации, шума;
-
изменение утечки.
К единым функциональным параметрам оценки износа относятся:
-
параметры шероховатости;
-
параметры волнистости;
-
параметры отклонений формы;
-
параметры отклонений расположений;
-
параметры отклонений линейных и угловых размеров.
Литература
1. Rana Bose в интервью журналу Velan View указывает, что для применений при сверхкритических и суперсверхкритических параметрах пара «в основном следует говорить об арматуре высокого давления – это задвижки, запорные и обратные клапаны и, возможно также, поворотные дисковые затворы. Наверно, где-то найдут применение и шаровые краны с металлическим уплотнением в затворе. Арматура понадобится в следующих системах: питательной воды паровых котлов высокого давления, подачи и отвода пара турбин высокого давления, подачи пара турбин среднего и низкого давлений, конденсаточистки – более того, каждая из этих систем имеет свои подсистемы, для которых также необходима арматура. Таким образом, по моим оценкам, для станции средней мощности потребуется арматуры на сумму около $3 млн. Это арматура условных диаметров от 3" до 28" на классы давления от 900 и, возможно, до 3000 из углеродистой, хром-молибденовой и нержавеющей сталей марок: от A105 и WCB до F22/WC9, F91 и F92. Только в Индии и Китае в течение 20 ближайших лет предполагается построить порядка 900 станций.»
Арматуростроение, 4 (79) 2012.
http://www.valve-industry.ru/pdf_site/79/79_Rana_Bose.pdf
3. С.В. Сейнов. Входной контроль и испытания запорной арматуры: Технический справочник.- М.: Прондо, 2013. 215 с. (Эксплуатация и ремонт арматуры, трубопроводов, оборудования)