CC BY
30
Литература
1. Гидромоделирование процессов литья / Е. И. Ма-
рукович, А. М. Брановицкий, В. А. Дементьев, Ю. А. Лебединский// Литье и металлургия. 2010. № 3 (56). С. 36-42.
2. Чугаев Р. Р. Гидравлика. М.: Бастет, 2008. 672 с.
3. Vasenin V. I., Bogomyagkov A. V., Sharov K. V.
Step gate investigation // Science and Education: materi-
Введение
В составе действующих в нашей стране неф-те- и газопроводов, перерабатывающих заводов, электростанций и других промышленных объектов эксплуатируется большое количество трубопроводной арматуры, наиболее перспективными представителями которой являются шаровые краны (рис. 1). Благодаря очевидным преимуществам (малое гидравлическое сопротивление, малое время срабатывания, легкость в управлении и т. д.) шаровые кра-
als of the III international research and practice conference. Vol. I. Munich: Vela-Verlag, 2013. P. 184-194.
4. Шаров К. В. Исследование ярусной литниковой системы с питателями различных площадей поперечных сечений // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. http://www.science-education.ru/120.
5. Васенин В. И., Богомягков А. В., Шаров К. В. Исследование кольцевой литниковой системы // Литейное производство. 2013. № 4. С. 12-15.
ны вытесняют с рынка задвижки и запорные клапаны. Однако шаровые краны, способные работать при температурах транспортируемых сред выше 200 °С, выпускаются в основном зарубежными компаниями [1]. Узлы затворов таких кранов выполняются по схеме «металл по металлу», где под термином «металл» подразумеваются износостойкие покрытия или материалы (твердый хром, стеллит, металлокерамика) [1]. Импортные шаровые краны с затвором «металл по металлу» на порядок дороже, чем задвижки, запорные клапаны,
УДК 621.646.6+678.7-419.8]:621.7
Перспективы снижения затрат на металлообработку шаровых кранов, работающих при температурах выше 200 °С
Д. М. Караваев, А. А. Нестеров, Е. В. Матыгуллина, Д. В. Смирнов, О. Ю. Исаев
Представлен сравнительный анализ конструкций шаровых кранов с учетом предъявляемых к ним эксплуатационных требований. В качестве материала седловыхуплотнений шаровых кранов предложен композиционный материал на основе терморасширенного графита и модифицированной силиконовой смолы, обладающий повышенной упругостью, низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью. Представлены результаты испытаний образцов из композиционного материала, формуемых методом одностороннего прессования. Применение шаровых кранов с седловымиуплотнениями, изготовленными из данного композита, позволит расширить интервал рабочих температур шаровых кранов по схеме «металл по полимеру» до 550 °С и существенно снизить себестоимость готовой продукции.
Ключевые слова: запорная арматура, шаровый кран, композиционный материал, терморасширенный графит, полимер, точность, механическая обработка.
Рис. 1. Шаровый кран с пробкой на опорах:
1 — корпус; 2 — шар; 3 — седла
а также шаровые краны с затвором «металл по полимеру». Снижение зависимости от импорта высокотемпературных шаровых кранов и разработка новых ресурсосберегающих технологий их изготовления остаются актуальными задачами для российских производителей трубопроводной арматуры.
Основная часть
Ресурсосбережение при металлообработке шаровых кранов достигается различными способами, основные из которых рассмотрены ниже.
Инновационные шаровые затворные узлы (шары и седла) предлагается изготавливать высокоточной механической обработкой деталей из легких и прочных алюминиевых сплавов в окончательный размер [1]. Алюминиевые детали обрабатываются на высокоскоростных станках с ЧПУ с высокой точностью (6-й ква-литет) до низкой шероховатости (Яа = 0,63 ^ 0,80 мкм). После оксидирования выполняют непродолжительную (1-2 мин) взаимную притирку шара и седел и пропитывают их полимером (импрегнируют). Осаждаясь в порах, полимер «сшивает» керамический слой, образуя композиционное полимерно-керамическое покрытие с антикоррозионными и антифрикционными свойствами. Защитное керамическое покрытие на алюминиевые сплавы
предлагается наносить по технологии плазменного электролитического оксидирования (ПЭО). Сутью технологии ПЭО является окисление поверхности алюминиевой детали до состояния тугоплавких окислов алюминия под воздействием высокочастотных искровых разрядов (плазмы) в водном электролите [1]. Формируемое при этом керамическое покрытие обладает высокой прочностью, теплостойкостью и диэлектрическими характеристиками. Керамическое ПЭО-покрытие толщиной 50-70 мкм формируется на алюминиевом сплаве за 20-25 мин, в отличие от микродугового оксидирования, при котором для получения качественного керамического покрытия толщиной 90-150 мкм требуется 2-3 ч. Основными особенностями керамического ПЭО-покрытия являются низкая шероховатость поверхности (#а = 0,63 ^ 0,80 мкм) и отсутствие внешнего дефектного слоя. Керамический слой при оксидировании растет только внутрь металла, и первоначальные размеры оксидируемой детали сохраняются неизменными [2]. Малое количество технологических операций и отсутствие трудоемких финишных операций обеспечивают сравнительно низкую себестоимость изготовления инновационных шаровых затворов, не превышающую себестоимости затвора «металл по полимеру» [1]. Ограничением для шаровых кранов, изготовленных по этой технологии, является температура эксплуатации до 300 °С [1, 3].
В настоящее время в химической, нефтеперерабатывающей, энергетической и других отраслях промышленности в ряде случаев трубопроводная арматура используется в экстремальных условиях, предполагающих переработку, транспортировку жидкостей и газов при высоких давлениях и температурах до 550 °С [4].
При высоких температурах эффективно применяются шаровые краны с затвором, целиком изготовленным из износостойких керамико-ме-таллических материалов — керметов на основе карбида титана со связками из никелевых сплавов и сталей (ТЮ-Ме) [5]. Производство заготовок шарового затвора за две операции (спекание и инфильтрация) за счет минимальных (< 1,5 мм) припусков благодаря малой усадке (< 2 %) позволяет значительно снизить трудоемкость механообработки. Шаровые пробки из
кермета TiC-Me обрабатываются на сферошли-фовальном станке инструментами из алмаза или CBN. Материал обладает оптимальным сочетанием комплекса свойств как карбидной основы — твердость и износостойкость, так и металлической связки — пластичность и стойкость против термических и механических ударов. В керметах со связкой из никелевого сплава ЖС6У легирующие элементы из связки (вольфрам, молибден, хром и др.) диффундируют в карбидные зерна с образованием на них оболочки твердого раствора [6], что усиливает связь между карбидной и металлической составляющими и повышает прочностные свойства кермета. При инфильтрации сталью 12Х18Н10Т оболочка на зернах карбида титана не обнаруживается [5]. Шаровые краны с затворами из керметов в 3-5 раз дороже задвижек и запорных клапанов, но дешевле аналогов из металла с многослойными керметны-ми покрытиями или из керамики при сопоставимом качестве [7-8].
Основные затраты при производстве шаровых кранов приходятся на затворные узлы, но стоимость можно снизить за счет инновационной технологии производства полукорпусов шарового крана [9]. Инновация заключается в том, что деталь изготавливают из цельной заготовки в отличие от технологии, когда полукорпус сваривают из двух частей. Применение данной технологии позволяет значительно улучшить технические характеристики шарового крана при существенном снижении себестоимости и трудоемкости изготовления [9].
Еще один подход к решению проблемы ресурсосбережения при изготовлении конкурирующих с западными аналогами шаровыми кранами предлагается авторами данной статьи. Он заключается в компенсации неточности изготовления шаровой пробки «мягкими» уплотнениями, реализуется в шаровых кранах с затворами по схеме «металл по полимеру». С понижением заданной точности технологический процесс изготовления деталей упрощается, затраты труда на изготовление шаровых кранов уменьшаются.
Точность металлообработки деталей затворов шаровых кранов характеризуется четырьмя параметрами:
1) точностью формы (несферичностью ДФ);
2) точностью размеров (радиусом сферы
пробки — .Кш, радиусом сферы металлического седла .Кс);
3) точностью взаимного расположения поверхностей детали (эксцентриситетом e и угловым смещением у осей деталей затворов);
4) шероховатостью (Ктах) и волнистостью (Жтах) поверхности.
Для конструкции затвора с шаровой пробкой на опорах с металлическими седлами характерна наибольшая совокупность параметров точности (ДФ, Иш, Ис, ДКш, ДКс, e, у, -^тах, ^"тах) [10], меньшая — для металл-полимерных и полимер-полимерных, как с плавающей пробкой, так и с пробкой на опорах (.Кш,
ДRш, ^ Ъ ^тах> ^тах) [10].
Для количественной оценки технологичности разрабатываемой арматуры предназначены показатели технологичности конструкции изделий. Полная номенклатура показателей производственной технологичности конструкции изделий насчитывает 22 показателя [10]. Для трубопроводной арматуры в качестве базовых выступают показатели технологичности конструкции изделий, характеризующие точность обработки деталей затворов Ктч и состава конструкции Ксб [10]. Наименьший показатель точности Ктч = 0,3 - 0,5 имеет изделия с двух-поверхностной системой затворов (запорные клапаны). Наибольший показатель точности обработки деталей Ктч = 0,9 - 1 у четырехпо-верхностных систем затворов (клиновые и параллельные задвижки). Клиновые задвижки широко распространены, но ввиду сложности затвора часто заменяются шаровыми кранами [10]. Шаровые краны относятся к трубопроводной арматуре с трехповерхностной системой затвора. Показатель точности обработки деталей затворов Ктч = 0,65 - 0,85 для кранов с металлическими седлами и Ктч = 0,5 - 0,65 — с полимерными [10].
В настоящее время известно применение шаровых кранов с шаром из коррозионно-стойкой стали и седлами из фторопласта или наполненного фторопласта. Цена таких узлов сопоставима и ниже стоимости задвижек. Однако ограниченность выбора уплотнения пары «шар—седло» сдерживает применение шаровых кранов при температурах выше 200 °С [11].
Авторами в лаборатории композиционных материалов ФГБОУ ВПО «ПНИПУ» совместно
с ООО «Силур» разработан композиционный материал на основе терморасширенного графита (ТРГ) и модифицированной силиконовой смолы, который может быть использован для изготовления седел шаровых кранов. ТРГ как уплотнительный материал получил широкое распространение благодаря высоким технологическим характеристикам: температуростой-кости, химической стойкости, негорючести, высокой степени сжимаемости и восстанавливаемости, минимальной газопроницаемости, отсутствию присадок, способных приводить к изменению свойств материала во времени [12]. Упругость ТРГ создает в материале закрытые микро- и нанопоры. Использование модифицированой силиконовой смолы как упрочняющей фазы позволило создать композиционный материал, способный работь при температурах до 550 °С. Разработанный композиционный материал обладает повышенной упругостью, низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью.
Полученные ранее авторами результаты по оптимизации составов композиционных материалов и исследованию влияния структурных свойств ТРГ на физико-механические свойства композита представлены в статьях [13-16]. В этих работах показано, что соотношение компонентов в композиционных материалах ТРГ определяют основные эксплуатационные характеристики уплотнений: коэффициент трения, модуль упругости и прочность при сжатии. Результаты испытаний получены на образцах, формуемых методом одностороннего прессования в удлиненной вертикальной пресс-форме со съемным дном (патент 2469859 РФ). Давление прессования — 30-90 МПа. Термообработка — 200 ± 10 °С в течение 30 мин. Основные характеристики разработанных ком-
позиционных материалов приведены в таблице.
Из таблицы видно, что наибольшей прочностью обладает композиционный материал, содержащий 40 мас. % силиконовой смолы. Наименьший коэффициент трения имеет КМ с содержанием силиконовой смолы 20 мас. %. Композиционные материалы с полученными физико-механическими свойствами могут быть использованы при производстве седловых уплотнений шаровых кранов.
Заключение
Показано, что износостойкие уплотнитель-ные материалы на основе терморасширенного графита и модифицированной силиконовой смолы позволяют:
• увеличить интервал рабочих температур шаровых кранов с затвором «металл по полимеру до 550 °С;
• повысить надежность запорной арматуры;
• снизить себестоимость готовой продукции за счет упрощения технологического процесса изготовления уплотнений и удешевления стоимости исходных материалов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ по государственному заданию (проектная часть) № 9.1570.2014/К.
Литература
1. Шатров А. С., Кокарев В. Н. Инновационная недорогая запорно-регулирующая арматура с длительным сроком службы // Арматуростроение. 2011. № 2 (71). С. 54-57.
2. Шатров А. С. Защитные оксидно-керамические покрытия, формируемые на алюминиевых сплавах методом плазменного электролитического оксидирования // Коррозия: материалы, защита. 2012. № 4. С. 28-37.
3. Шатров А. С., Кокарев В. Н. Инновационная технология плазменного электролитического оксидирования (ПЭО) и создание нового конструкционного материала - топокомпозита // Арматуростроение. 2010. № 2 (65). С. 63-67.
4. Влияние структурно-морфологических особенностей терморасширенного графита на износостойкость композиционного материала с кремнийорганическим связующим / Д. М. Караваев, А. М. Ханов, Е. В. Маты-гуллина, Л. Д. Сиротенко // Изв. Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15, № 4 (6). С. 378-381.
5. Мамлеев Р. Ф., Мамлеев Р. Ф., Науширванов Р. Г.
Изделия из высокотемпературных керметов Т1С—Ме для
Физико-механические свойства композиционных материалов на основе ТРГ
Содержание модифицированной силиконовой смолы, мас. % Коэффициент трения Предел прочности при сжатии, МПа Модуль упругости при сжатии, МПа
10 0,083 13,9 288
20 0,069 16,3 394
30 0,099 18,5 501
40 0,107 20,5 558
50 0,097 19,7 604
МЕТАЛЛООБ
.РАБОТКА
нефтепереработки и нефтехимии // Нефтепереработка и нефтехимия. 2010. № 4. С. 33-38.
6. Мамлеев Р. Ф., Анциферов В. Н. Структура и свойства инфильтрованного карбидотитанового твердого сплава // Порошковая металлургия. 1990. № 2. С. 72-77.
7. Мамлеев Р. Ф., Мамлеев Р. Ф. Затворные узлы арматуры для тяжелых условий эксплуатации / / Армату-ростроение. 2014. № 6 (93). С. 47-52.
8. Мамлеев Р. Ф. Шаровые затворы и другие износостойкие высокоресурсные изделия из кермета на основе карбида титана от компании «МАРОМА Технологии // Вест. арматурщика. 2014. № 6 (18). С. 70-73.
9. http://www.i-rnash.ru/news/nov_otrasl/44000-gruppa-neftegazovye-sistemy-otkryla-novyjj -zavod.html.
10. Гошко А. И. Арматура трубопроводная целевого назначения. В 3 кн. Кн. 2: Производство. Испытания. Монтаж. М.: Машиностроение, 2003. 336 с.
11. Смирнов Д. В., Исаев О. Ю., Лепихин В. П. 8ЕАЬиК-500 — новый уплотнительный материал для шаровой арматуры // Арматуростроение. 2011. № 1 (70). С. 56-57.
12. Об условиях применения изделий из терморасширенного графита в разъемных соединениях и сальниковых уплотнениях промышленного оборудования / В. К. Погодин, А. А. Погодина, В. А. Балакирев [и др.] // Безопасность труда в промышленности. 2003. № 9. С. 33-35.
13. Механические свойства композиционного материала на основе терморасширенного графита / Д. М. Караваев, А. М. Ханов, А. И. Дегтярев [и др.] // Изв.Са-
марского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14, № 1 (2). С. 562-564.
14. Mechanical properties of expanded graphite /silicone resin composites / D. Karavaev, A. Khanov // GeoCon-ference on Nano, Bio and Green — Technologies for a Sustaina-ble Future: 14th intern, multidisciplinary sci. geoconf. SGEM 2014, Albena, Bulgaria, 17-26 June, 2014: conf. proc. Vol. 1. Micro and Nano Technologies. Advances in Biotechnology / Intern. Multidisciplinary Sci. GeoConf. SGEM. Sofia : STEF92 Technology Ltd. 2014. P. 107-111.
15. The tribological properties of expanded graphite/ silicone resin composites / D. Karavaev, L. Sirotenko, E. Matygullina // GeoConference on Nano, Bio and Green — Technologies for a Sustainable Future: 14th intern, multi-disciplinary sci. geoconf. SGEM 2014, Albena, Bulgaria, 17-26 June, 2014: conf. proc. Vol. 1. Micro and Nano Technologies. Advances in Biotechnology / Intern. Multi-disciplinary Sci. GeoConf. SGEM. I Sofia : STEF92 Technology Ltd. 2014. P. 185-190.
16. Трибологические свойства композиционных материалов на основе терморасширенного графита / Д. М. Караваев; науч. рук. А. М. Ханов // Поиск эффективных решений в процессе создания и реализации научных разработок в российской авиационной и ракетно-космической промышленности. АК-Т0-2014: между-нар. науч.-практ. конф., 5-8 авг. 2014 г.: сб. докл. / Каб. министров Респ. Татарстан, М-во образования и науки Респ. Татарстан, М-во пром-сти и торговли Респ. Татарстан [и др.]. Казань : Изд-во Казан. гос. техн. унта. 2014. Т. 2. С. 73-76.
