ШИБЕРНАЯ ЗАДВИЖКА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к трубопроводной арматуре для нефти, газа, пара, воды, нефтехимических продуктов и т.д., а именно к линейной арматуре, в частности к задвижкам.
Задвижки являются арматурой, в которой запирающий элемент перемещается по прямой линии, перпендикулярной направлению движения потока рабочей среды. Материалами, наиболее часто применяемыми в конструкции задвижек, являются чугун, углеродистая, легированная и нержавеющая сталь, бронза и другие медьсодержащие и никелевые сплавы. Для высоко коррозионных рабочих сред и сред, вступающих в химическую реакцию с металлическими поверхностями арматура должна быть покрыта защитными материалами, например эбонитом, пластмассами, стеклом и керамикой (Шпаков О.Н. Азбука трубопроводной араматуры. Справочное пособие. ООО Изд-во «Компрессорная и химическая техника», 2003 г.)
Известна шиберная задвижка, содержащая запирающий элемент в форме плиты с параллельными уплотнительными поверхностями и размещенные на корпусе задвижки уплотнительные седла, контактирующие с уплотнительными поверхностями запирающего элемента, при этом запирающий элемент выполнен из низколегированной стали с низким содержанием хрома с азотированными уплотнительными поверхностями, а седла выполнены с наплавкой из сплава на основе кобальта, в частности Stellite 6, включающем хром, углерод, вольфрам и кобальт (Патент США №4599278, F16K 3/00, 1986 г.).
Недостатком известного решения является то, что оно не обеспечивает долговременной антикоррозионной защиты уплотнительных поверхностей запирающего элемента и контактирующих с ними поверхностей седел, а значит снижает надежность работы и ресурс задвижки. Как известно, наплавка или оплавление производится при очень высоких температурах, поэтому в
процессе нанесения покрытия перегревается основная деталь, что приводит к деформации и разупрочнению основного металла, из которого выполнены седла. Кроме того, при оплавлении образуются окислы, что также снижает адгезионные и коррозионные характеристики покрытия. Азотирование уплотнительных поверхностей запирающего элемента также не обеспечивает их коррозионной стойкости.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является увеличение надежности работы и ресурса шиберной задвижки в условиях особо агрессивных сред, за счет обеспечения защитного покрытия уплотнительных поверхностей ее запирающего элемента и контактирующих с ними поверхностей седел, обладающего высокой твердостью, коррозионной стойкостью и высокой адгезией к основному материалу, а также обладающего гидрофобизирующими свойствами.
Задача решается тем, что в шиберной задвижке, содержащей запирающий элемент в форме плиты с параллельными уплотнительными поверхностями и размещенные на корпусе задвижки уплотнительные седла, контактирующие с уплотнительными поверхностями запирающего элемента, согласно первого варианта исполнения, уплотнительные поверхности запирающего элемента и поверхность седел со стороны контакта с уплотнительными поверхностями запирающего элемента выполнены с покрытием в виде напыленного высокоскоростным газопламенным методом порошка, включающего карбид вольфрама на связке одного из следующих металлов и сплавов: Со, Ni, CoCr, NiW, NiCrBSi, при этом содержание материала связки в покрытии лежит в пределах от 5 до 30 вес %. Кроме того, покрытие на уплотнительных поверхностях запирающего элемента и поверхности седел может быть выполнено с пропиткой раствором фторсодержащих поверхностно активных веществ.
Согласно второго варианта исполнения, уплотнительные поверхности запирающего элемента и поверхность седел со стороны контакта с уплотнительными поверхностями запирающего элемента выполнены с
покрытием в виде напыленного высокоскоростным газопламенным методом порошка, включающего карбид хрома на связке из сплава NiCr, при этом содержание материала связки в покрытии лежит в пределах от 15 до 35 вес %.
Также как и в первом варианте исполнения, покрытие на уплотнительных поверхностях запирающего элемента и поверхности седел может быть выполнено с пропиткой раствором фторсодержащих поверхностно активных веществ.
Выполнение покрытия, согласно первого варианта исполнения, в виде нанесенного методом высокоскоростного газопламенного напыления слоя порошка, включающего карбид вольфрама на связке одного из следующих металлов и сплавов: Со, Ni, CoCr, NiW, NiCrBSi, обеспечивает создание на уплотнительных поверхностях запирающего элемента и седел слоя повышенной твердости, стойкого к абразивному истиранию и коррозии даже в условиях особо агрессивных сред.
Использование частиц карбида вольфрама, обладающих высокой твердостью, превышающей твердость абразивных частиц, для образования металлической матрицы покрытия позволяет создать слой из износостойкого материала, обеспечивающего желательную стойкость к абразивному износу, а материал связки способствует коррозионной стойкости покрытия.
Процентное содержание материала связки в покрытии обусловлено следующими соображениями.
С увеличением количества материала связки в покрытии в вес %, уменьшается количество частиц повышенной твердости и покрытие становится менее твердым, а с уменьшением твердость покрытия увеличивается. Для работы в агрессивных средах, когда на задвижку действуют абразивные частицы высокой твердости, для того, чтобы противостоять быстрому истиранию, твердость покрытия должна быть сопоставима с твердостью абразивных частиц и составлять не менее 60-62 HRC. Вместе с тем, при содержании материала связки в покрытии свыше 30 вес % твердость покрытия начинает резко падать и составляет менее 60 HRC (при содержании связки в
количестве 30 вес % - твердость составляет 60-62HRC). Смысл использования в покрытии карбидной упрочняющей фазы теряется.
При уменьшении содержания материала связки ниже 5 вес % (при 5 вес % твердость - 78 HRC) наряду с увеличивающейся твердостью покрытие становится более хрупким, что в процессе работы задвижки может привести к его разрушению.
Выполнение покрытия, согласно второго варианта исполнения, в виде нанесенного методом высокоскоростного газопламенного напыления слоя порошка, включающего карбид хрома на связке из сплава NiCr, также обеспечивает создание коррозионно-стойкого слоя повышенной твердости, обеспечивающего стойкость к абразивному истиранию в условиях агрессивных сред даже при высоких температурах до 1100°.
Предел содержания материала связки в покрытии (от 15 до 35 вес %) обусловлен требованиями к заданным значениям твердости покрытия и выбран аналогично соображениям, изложенным для первого варианта исполнения. Так, при уменьшении содержания связки ниже 15% увеличивается хрупкость покрытия, что в условиях работы может привести к его разрушению, а при увеличении свыше 35% снижается твердость покрытия, которая становится меньше 62 HRC и, соответственно, пропадает смысл использования упрочняющей фазы.
Нанесение защитного слоя методом высокоскоростного газопламенного напыления обеспечивает равномерное покрытие поверхностей, высокие адгезионные характеристики с основным материалом, высокую плотность покрытия, и, благодаря используемой при данном методе низкой температуре газовой струи и отсутствию свободного кислорода, способствует низкому содержанию оксидов в покрытии, что повышает его коррозионную стойкость.
Выполнение покрытия с пропиткой раствором фторсодержащих поверхностно активных веществ обеспечивает образование на поверхности покрытия и в порах (все равно имеющихся, несмотря на высокую плотность покрытия) тонкой (около 30-50 А) пленки, обладающей высокими
гидрофобизирующими свойствами и рядом других положительных свойств, в том числе способностью защитить контактирующие поверхности от окисления и истирания, поскольку пропитка уменьшает коэффициент трения контактирующих поверхностей запирающего элемента и седел. Кроме того, пропитка облегчает работу приводных механизмов.
На фиг.1 представлена шиберная задвижка.
Шиберная задвижка содержит запирающий элемент 1, выполненный в форме плиты с параллельными уплотнительными поверхностями 2 и 3, и уплотнительные седла 4 и 5, закрепленные на корпусе 6 задвижки. На поверхности 7 и 8 уплотнительных седел и уплотнительные поверхности 2 и 3 запирающего элемента 1 нанесено покрытие из твердого коррозионно-стойкого материала, в качестве которого используют:
2
- карбид вольфрама на связке одного из следующих металлов и сплавов: Со, Ni, CoCr, NiW, NiCrBSi, при этом содержание материала связки в покрытии лежит в пределах от 5 до 30 вес %. Каждая из частиц напыляемого порошка включает в себя частицы карбида вольфрама, в качестве которого может быть использован карбид моновольфрама (WC), карбид бивольфрама (WC) или маркрокристаллический карбид вольфрама, диспергированные в материале связки;
3
2
- карбид хрома (СrС) на связке из сплава NiCr, при этом содержание материала связки в покрытии лежит в пределах от 15 до 35 вес %. Каждая из частиц напыляемого порошка включает в себя частицы карбида хрома, диспергированные в материале связки.
Покрытие нанесено на поверхности 2, 3, 7, 8 методом высокоскоростного газопламенного напыления, позволяющего производить покрытие при температуре 120°, не объединяя его со сварочными методами наплавки или оплавления. Процесс высокоскоростного газопламенного напыления осуществляется за счет использования энергии сверхзвуковой газовой струи, образующейся в результате сгорания газообразного пропана в воздухе. В процессе напыления температура частиц порошка ниже температуры
плавления, а их скорость достигает значений свыше 800 м/с. Относительно низкая температура газовой струи и отсутствие свободного кислорода обеспечивают низкое содержание оксидов в покрытии. Частицы порошка покрытия, обладая высокой кинетической энергией при соударении с напыляемой поверхностью (и переходе кинетической энергии в тепловую) образуют металлическую связь с материалом, из которого он выполнен. Адгезия покрытия к основному материалу превышает 80 МПА, а пористость составляет менее 0,3%.
В нижеприведенной таблице представлены сведения о ресурсе задвижки с покрытиями, предлагаемыми к нанесению на поверхности ее контактирующих элементов в зависимости от состава и процентного содержания материала связки, в следующих средах:
3
3
2
3
3
3
Среда 1: неагрессивный природный газ, содержащий жидкие углеводороды, этиленгликоль, метанол (СНОН), турбинные масла, воду и механические примеси в следующем количестве: влага и конденсат - до 1200 мг/нм; механические примеси до 10 м/нм с размером частиц до 1 мм, а также реагенты, вызывающие коррозию: сероводород - не более 20 мг/нм, натрий + калий - не более 3 мг/нм.
Среда 2: вода, глинистый раствор, цементный раствор, растворы кислот соляной, серной, муравьиной в концентрации до 20%, нефть.
Материал покрытия
% содержание материала связки в покрытии
Твердость, HRC
Ресурс задвижки, кол-во циклов
Упрочняющая фаза
Материал связки
Среда 1
Среда 2
5
68-72
Не менее
Не менее
WC
Со
15
64-68
6000
4000
30
60-64
Ni
5
68-72
Не менее
Не менее
15
64-68
6000
4000
30
60-64
CoCr
5
68-72
Не менее
Не менее
WC
15
64-68
7000
5000
30
60-64
NiW
5
68-72
Не менее
Не менее
15
64-68
7000
5000
30
60-64
NiCrBSi
5
68-72
Не менее
Не менее
15
64-68
7000
5000
30
60-64
Сr<sub>3</sub>С<sub>2</sub>
NiCr
15
Не менее
Не менее
25
8000
6000
35
Из таблицы видно, что срок службы шиберной задвижки с любым из предлагаемых покрытий, по сравнению с известными (например легированной сталью, ресурс которых составляет 1000 циклов), увеличится в несколько раз, поскольку нанесенный на поверхности ее элементов защитный слой обладает требуемым уровнем прочностных, коррозионных, а в случае применения второго варианта покрытия и жаростойких свойств, препятствующих разрушению этих поверхностей.
Полезная модель позволяет повысить гарантированный ресурс эксплуатации шиберных задвижек.