ЗАПОРНЫЙ ОРГАН ДЛЯ ШАРОВОГО КРАНА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК F16K5/06 

Изобретение относится к запорной и регулирующей трубопроводной арматуре для транспортировки газа, нефти, нефтепродуктов, густых веществ, воды, пара, продуктов химической и нефтехимической промышленности, а также других жидкостей, преимущественно для вязких, коррозионных, эрозионных, абразивных сред и в условиях повышенного кавитационного износа.

В настоящее время шаровые краны прочно заняли лидирующие позиции по запорной арматуре в самых различных отраслях народного хозяйства. Главными элементами, определяющими работоспособность шарового крана, являются его запорный орган (пробка) и уплотняющий элемент - седло. В подавляющем большинстве запорные органы изготавливаются из конструкционных углеродистых сталей, а седло из полимерного материала (реже из металла).

Работоспособность шаровых кранов определяется прежде всего качеством перекачиваемой по трубопроводам среды и физико-химическими свойствами материалов, из которых изготовлены эти краны.

При транспортировании агрессивных сред (минерализованная вода, агрессивные газы и жидкости, нефть с повышенным содержанием сероводорода, нефтепродукты и различные химикаты и т.д.) происходит коррозия рабочих поверхностей запорного органа. В результате постепенно нарушается герметичность шарового крана. Затем агрессивная среда попадает в образовавшийся зазор между запорным органом и седлом. В результате седло достаточно быстро начинает коррозировать и герметичность полностью нарушается либо металлические детали прикипают друг к другу. Это приводит к выходу из строя шарового крана, дорогостоящему его ремонту или полной замене.

При транспортировке газа, нефти и других продуктов в перекачиваемой среде содержатся механические примеси, источниками которых являются частицы породы, слагающие продуктивные горизонты и выносимые газовым потоком или потоком пластовой жидкости из скважин; строительный шлам, продукты сварки, оставшиеся после окончания строительства трубопроводов; продукты внутренней коррозии и эрозии трубопроводов. Наличие взвеси вызывает интенсивный абразивный износ, эрозию запорной арматуры и прежде всего рабочей поверхности запорного органа. При открытии и закрытии шарового крана абразивные частицы попадают между седлом и сферической поверхностью запорного органа. Эти абразивные частицы вызывают задиры на уплотняющей поверхности запорного органа. При повышенной концентрации твердых частиц в перекачиваемой среде происходит интенсивный износ поверхностей запорного органа и седла. В результате быстро нарушается герметичность шарового крана и, как следствие, утечка перекачиваемых продуктов, в том числе агрессивных и огнеопасных веществ.

Известны защитные покрытия на деталях запорной арматуры, например гальванические (см. RU 2142520, 22.07.1994).

Применение гальванических покрытий не позволяет в полной мере решить проблемы. Эти покрытия имеют малую толщину и обладают недостаточной твердостью и износостойкостью. Гальванические покрытия не обеспечивают стойкость в средах, содержащих абразивные частицы.

Известны также металлические и керамические покрытия деталей запорной арматуры (см., например, RU 2104434, 21.03.1996, RU 46065 U1, 10.06.2005. Ремонт деталей из алюминия и его сплавов. Новиков Н.А. г.Орел, ОГСХФ, 1997, с.32-33).

Защита от коррозии, задиров, а также от абразивного и эрозионного износа путем применения металлических и керамических покрытий способствует решению имеющейся проблемы. Эти покрытия имеют твердость до 1200 HV, причем величина значения твердости практически одинакова по всему покрытию. Упомянутые покрытия довольно хорошо защищают от задиров, абразивного и кавитационного износа и удовлетворительно противостоят коррозионному износу. Однако такие покрытия имеют серьезный недостаток - они очень плохо обрабатываются. Кроме того, можно говорить и о недостаточной надежности этих покрытий.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является:

1. Упрощение технологии притирки запорного органа и седла;

2. Повышение качества притирки;

3. Обеспечение самопритирки в процессе эксплуатации шарового крана;

4. Повышение коррозионной стойкости запорного органа и седла шарового крана;

5. Повышение стойкости против абразивного износа запорного органа и седла шарового крана;

6. Повышение эрозионной стойкости запорного органа и седла;

7. Повышение стойкости против задиров поверхности запорного органа и седла шарового крана;

8. Повышение стойкости против прикипания запорного органа к седлу;

9. Уменьшение сопротивления вращению запорного органа при открытии и закрытии шарового крана;

10. Повышение герметичности шарового крана.

Поставленная задача решается следующим образом. Запорный орган для шарового крана содержит сферическую пробку со сквозным цилиндрическим отверстием, изготовленную из алюминиевого сплава, чугуна или стали с алюминиевым покрытием, причем по меньшей мере на его сферической поверхности, сопрягающейся с седлом шарового крана, сформировано защитное покрытие Al₂O₂ с переменным по толщине фазовым составом покрытия, в котором содержание α-фазы Al₂O₂ возрастает в направлении от наружных к внутренним слоям.

Кроме того:

- толщина покрытия задается в диапазоне от 15 до 500 мкм;

- содержание α-фазы Al₂O₃ в покрытии находится в диапазоне от 40 до 100%.

Способ изготовления запорного органа для шарового крана включает формирование на его поверхности защитного покрытия и его финишную обработку, при этом в качестве защитного покрытия применяют покрытие Al₂О₃ с переменным по толщине покрытия содержанием α-фазы Al₂O₃, причем содержание α-фазы Al₂О₃ возрастает по направлению к внутренним (глубинным) слоям покрытия, а при финишной обработке верхние слои покрытия с низким содержанием α-фазы Al₂О₃ удаляются, при этом оставляется покрытие с содержанием α-фазы Al₂O₃ в диапазоне от 40 до 100%.

Изобретение поясняется графическим материалом, где на фиг.1 показан шаровой кран в закрытом состоянии, на фиг.2 - шаровой кран в открытом состоянии. Поз.1 обозначен запорный орган для шарового крана, поз.2 - покрытие Al₂O₃, поз.3 - сквозное цилиндрическое отверстие в запорном органе, поз.4 - седло, поз.5 - уплотняющий элемент седла.

На наружной поверхности запорного органа 1 шарового крана, изготовленного из алюминиевого сплава, или чугуна, или стали с алюминиевым покрытием, формируется керамическое покрытие Al₂O₃ (поз.2). При этом по толщине покрытия обеспечивается переменный фазовый состав Al₂O₃: наружные слои покрытия формируются с меньшим содержанием α-фазы Al₂O₃, а внутренние более глубокие слои с максимальным содержанием α-фазы Al₂O₃.

Покрытие Al₂O₃ благодаря своей высокой твердости и коррозионной стойкости надежно защищает рабочую поверхность шарового крана от коррозии, кавитации, эрозии, абразивного износа, гидроабразивного износа, задиров, прикипания, налипания смол и прочих веществ.

Упомянутое покрытие Al₂O₃ обладает комплексом важнейших свойств:

1. Высокой твердостью;

2. Высокой износостойкостью;

3. Высокой абразивной стойкостью;

4. Высокой гидроабразивной стойкостью;

5. Высокой стойкостью к кавитационному износу;

6. Высокой стойкостью к эрозионному износу;

7. Высокой коррозионной стойкостью;

8. Высокой стойкостью к электрохимической коррозии;

9. Высокой теплостойкостью;

10. Высокой адгезией;

11. Высокой когезией;

12. Низким коэффициентом трения;

13. Высокими антиадгезионными свойствами;

14. Хорошей прирабатываемостью;

15. Антимагнитностью;

16. Высокой электроизоляционной способностью;

17. Высокими противозадирными свойствами.

Вышеперечисленный комплекс свойств предлагаемого покрытия позволяет обеспечить надежную герметизацию шарового крана в особо тяжелых реальных условиях его эксплуатации. В процессе эксплуатации происходит дальнейшая притирка пары запорный орган - седло, и как результат, улучшается герметизация. При этом тяжелые условия эксплуатации никак ни сказываются на надежности работы шарового крана.

Обоснование фазового состава покрытия. В покрытии Al₂O₃ находится в двух фазовых состояниях: γ-фазы Al₂O₃ и α-фазы Al₂O₃. В состоянии γ-фазы Al₂O₃ обладает достаточно низкой для данного вещества твердостью и его величина, как правило, не превышает 750 HV. В состоянии же α-фазы Al₂O₃ обладает твердостью около 2000 HV. Экспериментально установлено, что твердость покрытия Al₂O₃ напрямую зависит от процентного содержания в нем фазовых составляющих γ-фазы Al₂O₃ и α-фазы Al₂O₃. Чем больше в покрытии γ-фазы Al₂O₃, тем оно менее твердое и, соответственно, лучше поддается обработке, в том числе методом шлифовки и притирки. И наоборот, чем больше в покрытии α-фазы Al₂O₃, тем оно более твердое и, соответственно, гораздо труднее поддается обработке и всем видам износа.

Нанесение покрытия с контролируемым по его толщине содержанием α-фазы Al₂O₃ обеспечивается технологическими приемами, гарантирующими требуемое распределение состояния материала покрытия.

Практически обеспечить требуемое распределение фазового состава покрытия оксида алюминия можно при различных способах его нанесения.

Например, при формировании покрытия Al₂O₃ способом газотермического высокоскоростного напыления по методу HVOF достигается эффективное управление фазовым составом и свойствами покрытия. Подробно об этом описано в работе: Управление структурно-фазовым состоянием покрытия на основе Al₂O₃ при напылении методом HVOF. Орыщенко А.С., Слепнев В.Н., Галлеев И.М., Бланк Е.Д. Вопросы материаловедения, 2006, №1(45), с.191...194.

При нанесении покрытия Al₂O₃ детонационным методом также обеспечивается управление структурно-фазовым составом и свойствами покрытий. Подробно об этом описано в работе: Получение и исследование структуры и свойств плазменно-детонационных покрытий из Al₂O₃. А.Д.Погребняк, Ю.Н.Тюрин, Ю.Ф.Иванов, А.П.Кобзев, О.П.Кульментьева, М.И.Ильященко. Сумской институт модификации поверхности, Украина. Письма в ЖТФ, 2000, том 26, вып.21.

Заявителем было произведено формирование покрытия из оксида алюминия на запорный орган шарового крана по методу микродугового оксидирования. В электролитическую ванну со слабощелочным электролитом помещалась обрабатываемая деталь и образец-свидетель из алюминиевого сплава Д16, к изделиям и электролитической ванне подводилось питание от специального источника тока. В качестве источника питания использовался инверторный источник, обеспечивающий задание тока в пределах от 0 до 200 А и его стабилизацию в течение технологического процесса. Кроме того, в специальных технологических режимах источник питания обеспечивал стабилизацию напряжения, заданного в диапазоне от 300 до 900 В. Обработка производилась в анодно-катодном режиме. Электролит охлаждался методом интенсивной прокачки и барботажа: Дополнительно производилось интенсивное перемешивание электролита в зоне размещения обрабатываемого изделия.

Перемешивание электролита осуществлялось специальным насосом с направлением струи непосредственно на обрабатываемую деталь и образец-свидетель. Плотность тока составляла 15 А/дм, время обработки составило 120 минут. После включения питания на начальной стадии обработки в течение 20 минут температура электролита поддерживалась в диапазоне 30...35°С. Через 20 минут температура электролита была плавно снижена и поддерживалась в диапазоне 5...10°С. После достижения напряжения на нагрузке 640 В отключалась стабилизация тока и включалась стабилизация напряжения 640 В. Одновременно температура электролита была повышена до 25...30°С и удерживалась до конца процесса. При стабилизации напряжения ток плавно снижался практически до нулевого значения. После этого питание отключалось. Деталь промывалась и сушилась.

Обоснование режима обработки.

Не первой стадии обработки поддерживалась несколько повышенная температура электролита. Это необходимо для ускоренного роста толщины покрытия гамма-фазы оксида алюминия без формирования альфа-фазы. Понижение температуры электролита до 5...10°С приводит к интенсивному отводу тепла от детали и поверхности покрытия. При этом внутри покрытия в результате микродуговых разрядов создается очень высокая температура. При высоких температурах происходит интенсивное образование альфа-фазы. При этом гамма-фаза преобразуется в альфа-фазу с выделением тепла. Для предотвращения обратных процессов превращения альфа-фазы в гамма-фазу производится интенсивный теплоотвод за счет понижения температуры электролита и его перемешивания. Таким образом, в средних (рабочих) слоях формируется самая твердая высокотемпературная альфа-фаза оксида алюминия. Переход от стабилизации по току к стабилизации по напряжению на последнем этапе режима обеспечивает плавное снижение плотности тока и зарастание оставшихся несплошностей в покрытии. При этом одновременное повышение температуры электролита приводит к снижению отвода тепла от детали. Все это создает благоприятные условия для формирования гамма-фазы оксида алюминия.

Благодаря нанесению на запорный орган покрытия с переменным по его толщине содержанием α-фазы Al₂O₃ обеспечивается легкая и очень качественная шлифовка и притирка. Кроме того, в процессе эксплуатации за счет изменяющейся по толщине покрытия твердости обеспечивается дальнейшая высококачественная самопритирка сопрягаемых деталей. При этом, чем большая толщина покрытия в процессе притирки снимается, тем тверже это покрытие становится и тем меньшее значение его коэффициента трения достигается. В результате роста твердости покрытия процесс износа более глубоких слоев затухает и покрытие практически прекращает изнашиваться. При этом поверхность приобретает очень низкую шероховатость с очень низким коэффициентом трения. За счет увеличения α-фазы Al₂O₃ твердость внутренних слоев покрытия можно гарантировано довести до теоретической, т.е. до 2000 HV. Это в совокупности со всем комплексом свойств предлагаемого покрытия гарантирует удешевление самых ответственных технологических операций при изготовлении шарового крана и надежную герметичность последнего в течение длительного срока эксплуатации запорной арматуры в самых сложных условиях.

Экспериментально установлено, что в процессе шлифовки и притирки предлагаемого покрытия не возникает осложнений с обработкой вплоть до достижения на его поверхности твердости примерно 1000 HV, что соответствует содержанию α-фазы Al₂O₃ в покрытии около 40%. При дальнейшем продолжении шлифовки и притирки резко затрудняется обработка изделий. В большинстве случаев такой твердости покрытия вполне достаточно для обеспечения высокой надежности работы запорной арматуры. Учитывая способность хорошей самопритирки предлагаемого покрытия, дальнейшая шлифовка и притирка в подавляющем большинстве применений является нецелесообразной. В отдельных случаях может быть обработана поверхность покрытия до достижения более высоких значений твердости.

Обоснование толщины покрытия

Для обеспечения коррозионной стойкости покрытия при отсутствии факторов, вызывающих абразивный, гидроабразивный и кавитационный износ, толщина покрытия (после финишной обработки) в 15 мкм является достаточной. При наличии износа, кавитации, гидроабразивного износа и других осложняющих факторов толщина покрытия наносится максимальной вплоть до 500 мкм, что гарантирует безаварийную работу шарового крана в течение длительного периода эксплуатации запорной арматуры. Запорный орган шарового крана с предлагаемым покрытием обеспечивает прекрасную работоспособность при работе в паре как с полимерным уплотняющим элементом седла, так и с металлическим и керамическим седлом. При этом, чем большую твердость имеет применяемое седло, тем большая толщина покрытия назначается.

Группа изобретений относится к запорной и регулирующей трубопроводной арматуре и предназначена для использования при изготовлении шаровых кранов арматуры для транспортировки газа, нефти, нефтепродуктов, густых веществ, воды, пара, продуктов химической и нефтехимической промышленности, а также других жидкостей, преимущественно для вязких, коррозионных, эрозионных, абразивных сред и в условиях повышенного кавитационного износа. Запорный орган для шарового крана содержит сферическую пробку со сквозным цилиндрическим отверстием, изготовленную из алюминиевого сплава, чугуна или стали с алюминиевым покрытием. На его сферической поверхности, сопрягающейся с седлом шарового крана, сформировано защитное покрытие Al₂О₃ с переменным по толщине фазовым составом покрытия. В этом покрытии содержание α-фазы Al₂O₃ возрастает в направлении от наружных к внутренним слоям. Имеется способ изготовления такого запорного органа для шарового крана. Этот способ включает формирование на его поверхности защитного покрытия Al₂О₃ с переменным по толщине покрытия содержанием α-фазы и его финишную обработку. При финишной обработке верхние слои покрытия с низким содержанием α-фазы Al₂О₃ удаляются. При этом оставляется покрытие с содержанием α-фазы Al₂О₃ в диапазоне от 40 до 100%. Группа изобретений направлена на повышение коррозионной стойкости, стойкости против абразивного износа, а также герметичности запорного органа и седла шарового крана. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Запорный орган для шарового крана, содержащий сферическую пробку со сквозным цилиндрическим отверстием, изготовленную из алюминиевого сплава, чугуна или стали с алюминиевым покрытием, отличающийся тем, что по меньшей мере на его сферической поверхности, сопрягающейся с седлом шарового крана, сформировано защитное покрытие Al₂О₃ с переменным по толщине фазовым составом покрытия, в котором содержание α-фазы Al₂О₃ возрастает в направлении от наружных к внутренним слоям.2. Запорный орган по п.1, отличающийся тем, что толщина покрытия задается в диапазоне от 15 до 500 мкм.3. Запорный орган по п.1, отличающийся тем, что содержание α-фазы Al₂О₃ в покрытии находится в диапазоне от 40 до 100%.4. Способ изготовления запорного органа для шарового крана, включающий формирование на его поверхности защитного покрытия и его финишную обработку, отличающийся тем, что в качестве защитного покрытия применяют покрытие Al₂О₃ с переменным по толщине покрытия содержанием α-фазы Al₂O₃, причем содержание α-фазы Al₂О₃ возрастает по направлению к внутренним (глубинным) слоям покрытия, а при финишной обработке верхние слои покрытия с низким содержанием α-фазы Al₂О₃ удаляются, при этом оставляется покрытие с содержанием α-фазы Al₂O₃ в диапазоне от 40 до 100%.