ШАРОВОЙ КРАН Российский патент 2002 года по МПК F16K5/06 

Изобретение относится к области арматуростроения и может быть использовано при изготовлении шаровых кранов для газовой, химической и других областей промышленности.

Известны шаровые краны (патенты RU 2088829, МПК F 16 К 5/10; RU 2087783, МПК 6 F 16 К 5/06 от 04.04.1996; RU 21335870, МПК 6 F 16 К 5/06 от 22.08.1997; RU 2150907, МПК F 16 К 5/20 от 20.04.1999 и т.д). Все названные конструкции имеют стандартный набор деталей: корпус с входным и выходным отверстиями, размещенный в нем шаровой затвор, посадочно-уплотнительные элементы. Смену рабочего положения затвора осуществляет орган управления, как правило, шток или вал.

Основным недостатком шаровых кранов, работающих в химически агрессивных средах и (или) в средах с высоким содержанием абразивных частиц и (или) в условиях частого открывания-закрывания, является быстрый выход из строя из-за эрозии (коррозии) шарового затвора и посадочно-уплотнительных элементов.

Известен шаровой кран (патент DE 3803414) с керамическими посадочными шайбами и шаровым затвором из спеченного корунда, а также шаровой кран (заявка RU 93004040, МПК F 16 К 5/06, опубл. 27.11.1995) с затвором из фарфора.

Эти краны лишены вышеперечисленных недостатков, однако конструктивно сложны, дороги в изготовлении и, кроме того, легко выходят из строя от случайных ударов в силу хрупкости материала изготовления.

Известны также шаровые краны (патенты DE 19800894, МПК F 16 К 5/06, 13.01.1998; DE 19801042, МПК F 16 К 5/06, 14.01.1998), в которых опорные кольца и шаровой запорный элемент выполнены в виде минеральных литых деталей, состоящих из реактивной смолы в качестве связующего, и 60-90% прочного на износ керамического наполнителя.

Эти краны более дешевы, но подвержены химической коррозии связующего.

Известен также шаровой кран (заявка на изобретение RU 93016455/29, МПК F 16 К 5/06, 31.03.1993) с керамическим покрытием на сферическом запорном элементе.

Наиболее близким к заявляемому решению является шаровой кран (RU 2104434, МПК F 16 К 5/06, 21.03.1996) с керамическим покрытием на шаровом затворе из сплава на алюминиевой основе. Недостатками указанного шарового крана является использование на шаровом затворе из алюминиевого сплава керамического покрытия, поскольку коэффициент теплового расширения алюминия α•10^-6K^-1 = 23,8, а керамических материалов α•10^-6K^-1 = 3,0. Из-за резкого отличия величин коэффициентов теплового расширения происходит растрескивание керамических покрытий при изменениях температуры окружающей среды. Для условий различных регионов, где эксплуатируются шаровые краны, перепады температуры могут составлять 80^oС (от -40 до 40^oС). Это резко ограничивает применимость подобных кранов. Растрескивание покрытий усугубляется при увеличении размеров покрываемого шарового затвора: чем больше диаметр, тем больше величина абсолютного изменения размеров и тем более критичен шаровой затвор с таким покрытием даже к незначительному изменению температуры.

Второй недостаток, присущий шаровым кранам с керамическим покрытием, - следствие технологии получения керамик. Керамические покрытия могут отличаться и по сырью, и по составу, и по структуре, и по свойствам материалов, единственным объединяющим их признаком можно считать технологию: составление шихты, формирование и обжиг (Словарь-справочник по порошковой металлургии. Киев: Наукова Думка, 1982, стр. 84).

Обжиг керамики производят при температуре выше 800^oС, в то время как температура плавления алюминиевых сплавов составляет 660^oС. Это делает процесс формирования керамического покрытия весьма сложным и трудно реализуемым по причине расплавления материала основы (алюминиевого сплава) шарового затвора.

Задачей изобретения является повышение срока службы и повышение качества арматуры за счет повышения износо- и коррозионной стойкости рабочих поверхностей и изделия в целом.

Сущность изобретения заключается в том, что в шаровом кране, содержащем корпус с входным и выходным каналами и размещенные в нем шаровой затвор с проходным отверстием, посадочно-уплотнительные элементы, шток управления шаровым затвором и имеющий покрытие на рабочих поверхностях, покрытие представляет собой слоистую структуру, причем наружный защитный слой - слой оксида алюминия, подслой - слой алюминия или слой анодируемого алюминиевого сплава.

Кроме того, заявляется усовершенствование шарового крана, при котором толщина оксидного слоя 0,07-0,25 мм и внешний оксидный слой имеет сотовую структуру.

Заявляется также усовершенствование изобретения, при котором слой алюминия или его сплава имеет толщину 0,1-0,5 мм.

Изобретение поясняется с помощью чертежа, где 1 - корпус шарового крана, 2 - входное и выходное отверстия, 3 - шаровой затвор, 4 - посадочно-уплотнительные элементы, 5 - шток или вал управления шаровым затвором.

Заявляемое изобретение осуществляется следующим образом. Слой, ближайший к покрываемой детали, - алюминий или анодируемый алюминиевый сплав, наружный слой - оксид алюминия. Покрытие может быть нанесено на поверхность шарового затвора 3, на поверхность посадочно-уплотнительных элементов 4, на поверхность корпуса крана 1. Конструктивно алюминиевый слой выполняет функцию соединения между материалом (металлом), из которого выполнена деталь, и защитным слоем оксида алюминия. Технологически алюминиевый слой является предварительным (подслоем) и служит исходным материалом для формирования защитного коррозионно- и износостойкого покрытия из оксида алюминия.

Подслой алюминия, необходимый для формирования слоя оксида алюминия, не должен содержать примесей, препятствующих его формированию и ухудшающих износо- и коррозионную стойкость (например, железо, никель, цинк). Их содержание не может превышать 0,3%.

Выбор толщины алюминиевого слоя, необходимого для формирования защитного коррозионно- и износостойкого слоя из оксида алюминия, производится из следующих соображений:
- Если в качестве материала детали используются металлы, оксиды которых не обладают защитными свойствами, например железо, никель, то слой алюминия должен составлять 0,4-0,5 мм.

- Если в качестве материала детали используется металл, оксид которого обладает защитными свойствами, например титан или сплав алюминия, неподдающийся анодированию (типа силумина), то слой алюминия должен составлять 0,1-0,2 мм.

Износо- и коррозионно-стойкий слой оксида алюминия наиболее функционален при толщине 0,07-0,25 мм. Более тонкое покрытие является недостаточно прочным и не может выполнять функцию защиты от механической эрозии. Покрытие толще 0,25 мм имеет худшие эксплуатационные характеристики, так как в нем появляются внутренние напряжения и проявляется склонность к растрескиванию. Кроме того, достижение больших толщин связано с неоправданно большим расходом электроэнергии и соответственно удорожанием стоимости покрытия.

Износо- и коррозионно-стойкий защитный слой оксида алюминия обладает наилучшей износостойкостью, если он формируется методом микродугового оксидирования, так как в этом случае он имеет сотовую кристаллическую структуру. Такая структура слоя оксида алюминия обладает высокой (в 7 раз выше, чем у закаленной стали) износостойкостью и вместе с тем в отличие от керамики имеет способность к деформации при изменениях линейных размеров детали.

Пример 1.

На шаровом затворе 3 из углеродистой стали нанесен слой алюминия толщиной 0,2-0,4 мм. Слой оксида алюминия толщиной 100-250 мкм.

Пример 2.

На посадочно-уплотнительном элементе 4 из неанодируемого сплава алюминия - слой алюминия или анодируемого алюминиевого сплава толщиной 50-100 мкм. Слой оксида алюминия 100 мкм.

Предлагаемое решение позволяет обеспечить длительную стойкость шарового крана от эрозии и коррозии.

Изобретение относится к области арматуростроения и предназначено для использования при изготовлении шаровых кранов для газовой, химической и других областей промышленности. Шаровой кран содержит корпус с входным и выходным каналами и размещенные в нем шаровой затвор с проходным отверстием, посадочно-уплотнительные элементы и шток управления шаровым затвором. Шаровой кран имеет покрытие на рабочих поверхностях. Покрытие представляет собой слоистую структуру. Наружный защитный слой - слой оксида алюминия, подслой - слой алюминия или слой анодированного алюминиевого сплава. Изобретение позволяет повысить срок службы и качество арматуры за счет повышения износо- и коррозионной стойкости рабочих поверхностей и изделия в целом. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Шаровой кран, содержащий корпус с входным и выходным каналами и размещенные в нем шаровой затвор с проходным отверстием, посадочно-уплотнительные элементы, шток управления шаровым затвором и имеющий покрытие на рабочих поверхностях, отличающийся тем, что покрытие представляет собой слоистую структуру, причем наружный защитный слой - слой оксида алюминия, подслой - слой алюминия или слой анодируемого алюминиевого сплава. 2. Шаровой кран по п. 1, отличающийся тем, что толщина оксидного слоя 0,07-0,25 мм. 3. Шаровой кран по п. 1 или 1 и 2, отличающийся тем, что слой алюминия или его сплава имеет толщину 0,1-0,5 мм. 4. Шаровой кран по пп. 1-3, отличающийся тем, что наружный оксидный слой имеет сотовую структуру.