Шиберные задвижки. Упрочнение поверхностной твердости методом ионного азотирования
Запорно-регулирующая арматура является одним из самых массовых видов технологического оборудования, которое используется практически во всех отраслях промышленности.
Стальные шиберные задвижки – один из основных типов запорной арматуры. Они применяются практически на любых технологических и транспортных трубопроводах в системах ЖКХ, газо- и водоснабжения, нефтепроводах, объектах энергетики и на других направлениях.
Данные изделия часто эксплуатируются в жестких условиях. Внутренние детали задвижек соприкасаются с агрессивными средами (кислоты, продукты крекинга и др.; нефтепродукты с содержанием СО2 и H2S); подвержены воздействию высокой температуры и перепадам давления.
Задвижки шиберного типа многофункциональны и обладают рядом преимуществ:
- Имеют простую конструкцию;
- Подходят для широкого спектра трубопроводных систем;
- Устойчивы по отношению к рабочим средам;
- Отличаются долговременной эксплуатацией при соблюдении условий регламентных работ и технических условий к перекачиваемой жидкости.
К недостаткам относят следующие пункты:
- Специфика эксплуатационного цикла — ограниченное количество циклов работы, небольшие сроки межремонтных перерывов при использовании в агрессивных средах и тяжелых условиях;
- Длительный период подготовки к установке при ремонте и замене рабочего органа. Установка нового шибера требует обязательно притирки седла, что без специальных навыков и техники очень долгий и трудоемкий процесс;
- Существенное снижение надежности запирания при деформации, коррозии металла, потере эластичности уплотнителя или других видах повреждений;
- При высоких температурах затвор не всегда может адекватно справляться со своей работой, иногда он просто заклинивает из-за банального расширения при нагревании.
Более 50% отказов запорной арматуры связано с разрушением уплотнительных поверхностей вследствие интенсивного коррозионно-эрозионного изнашивания. Еще более опасным является риск схватывания уплотнительных поверхностей и отказа запорной арматуры в ответственный момент. Стоимость ремонта затвора составляет 30 – 50% от общей стоимости ремонта задвижки. Выявлено, что самым узким местом при изготовлении шиберных задвижек, которые подвержены быстрому износу, являются сопрягаемые поверхности деталей «Седло» и «Шибер», а так же «Шпинделя».
Возникает необходимость поверхностного упрочнения сопрягаемых поверхностей узла «Седло-Шибер» и детали «Шпиндель» для увеличения срока службы.
Виды поверхностного упрочнения
Из всех видов упрочняющих покрытий, наиболее применяемыми в производстве являются адгезионные – гальванические и газотермические, диффузионные – азотирование и цементация. Нанесение покрытий напылением (в том числе магнетронным), физическим или химическим осаждением, а также направленным излучением в вакууме являются высокоэффективными, но узкоспециализированными способами поверхностного упрочнения изделий, а так же дорогостоящими для массовой продукции.
Гальванические покрытия (хромирование или никелирование) не отвечают требованиям по конструктивной прочности и сцеплению слоя с основой ввиду главного недостатка – большого количества водорода в приповерхностном слое.
Традиционные методы химико-термической обработки (ХТО) – газовое азотирование и цементация – эффективные методы поверхностного упрочнения изделий, однако являются высокозатратными, вредными и не обеспечивают размерную и чистовую точность.
Перспективными методами ХТО являются ионно-вакуумное азотирование, карбонитрирование, оксикарбонитрирование, а также вакуумный отпуск/отжиг.
Ионная химико-термическая обработка имеет ряд преимуществ по сравнению с газовой:
- экологическая безвредность процесса;
- время формирования аналогичных характеристик азотированного слоя меньше в 2 – 5 раз;
- управляемость и гарантированная повторяемость результата;
- достигается оптимальная структура упрочнённого слоя или даже разнородных слоёв на одной детали за один режим;
- наилучшие показатели хрупкости/вязкости из всех видов покрытий;
- наименьшие деформации изделий в процессе обработки;
- проектирование покрытий с обеспечением размерной и чистовой точности до нескольких микрометров.
Компанией ООО «Ионные технологии» совместно с предприятием ООО «Камский арматурный завод» (г. Пермь) проведены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР) по упрочнению составных частей шиберных задвижек «Шибер», «Седло» из стали 40ХН и «Шпиндель» из стали 12Х18Н10Т методом ионно-вакуумного азотирования. Подобраны оптимальные параметры режима ионного азотирования, обеспечивающие оптимальные характеристики упрочняющего покрытия согласно конструкторской документации.
Ионно-вакуумное азотирование деталей стальных шиберных задвижек
| Вид упрочняемых деталей | Процесс ионного азотирования | Измерение поверхностной твердости твердомером ТКМ-459С, HV5 |
«Шибер» | Сталь 40ХН | Сред. значение = 638 HV |
«Седло» | Сталь 40ХН | Сред. значение = 606 HV |
«Шпиндель» | Сталь 12Х18Н10Т | Сред. значение = 855 HV |
В результате ионного азотирования на деталях формируется равномерно развитый нехрупкий азотированный слой и высококачественная нитридная зона с повышенной твердостью. Данный комплекс покрытий обеспечивает высокие прочностные и эксплуатационные свойства деталей запорно-регулирующей арматуры.
После ИХТО были произведены замеры поверхностной твердости упрочненных деталей по Виккерсу с помощью портативного ультразвукового твердомера ТКМ-459C.
Технология ионного азотирования является бездеформационной обработкой, исключающей вредные и затратные операции гальваники, трудоёмкие шлифовочные и доводочные операции.
На сегодняшний день ионно-вакуумное азотирование является передовой технологией поверхностного упрочнения деталей.
Материал опубликован с согласия ООО "Ионные Технологии".