ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРОЧНЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ЗАПОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЕ

​ASSESSMENT OF THE EFFECTIVENESS OF STRENGTHENING COATINGS USED FOR SHUTOFF ELEMENTS IN PIPELINE FITTINGS

Dmitrii Plotnikov

master's student, Department of Machinery and Apparatus of Chemical and Food Production, Orenburg State University,

Russia, Orenburg

Viktor Khanin

candidate of technical sciences, Associate Professor,  Orenburg State University,

Russia, Orenburg

АННОТАЦИЯ

В настоящее время активно исследуется возможность улучшения качества и увеличения срока службы запорной и запорно-регулирующей арматуры, применяемых на объектах нефтегазовой промышленности в агрессивных средах, путем создания упрочненных покрытий на поверхностях запорных элементов. Существует широкий спектр технологий и методов поверхностного упрочнения стали, которые выбираются с учетом различных факторов, включая особенности материала, требования к конечному изделию и условия эксплуатации.

ABSTRACT

Currently, the possibility of improving the quality and increasing the service life of shut-off and shut-off and control valves used at oil and gas industry facilities in aggressive environments is being actively studied by creating hardened coatings on the surfaces of shut-off elements. There is a wide range of technologies and methods for surface hardening of steel, which are selected taking into account various factors, including material characteristics, requirements for the final product and operating conditions.

Ключевые слова: кран шаровой, запорный элемент, покрытие, материал, надежность.

Keywords:  ball valve, shut-off element, coating, material, reliability.

Запорная и запорно-регулирующая арматура, применяемая в нефтегазовом комплексе, функционирует в непростых условиях, характеризующихся работой в агрессивных средах с высоким содержанием сероводорода и механических примесей, повышенным давлением и в некоторых случаях экстремальными температурами.

Существует несколько типов запорной арматуры для трубопроводов таких как задвижки, затворы, краны и клапаны. Каждый из них обладает своими уникальными преимуществами и недостатками, которые нужно учитывать при выборе подходящего типа, для решения конкретных технологических задач.

Краны шаровые являются наиболее эффективным типом запорной арматуры, получившим наибольшее распространение. Они представляют собой механические устройства, используемые для открытия и перекрытия потока рабочей среды в трубопроводе. Преимущества данных устройств включает в себя высокую герметичность, простоту конструкции, высокую скорость действия, удобство монтажа, низкую стоимость обслуживания, минимальное гидравлическое сопротивление и отсутствие образования застойных зон.

В нефтегазовом комплексе вопросы надежности и безопасности кранов шаровых играют ключевую роль. Это связано с тяжелыми последствиями аварий как на магистральных нефте- и газопроводах так и при добыче и переработке углеводородов.

Основным свойством в аспекте надежности является герметичность.

Наиболее важными узлами крана, обеспечивающими герметичность при перекрытии потока рабочей среды, являются затворы – герметичные соединения, состоящие из пробки (шара) и седла, на которые приходится до 50% всех отказов.

Повысить качество и существенно увеличить ресурс затвора, работающего в агрессивных средах возможно с помощью формирования на их поверхности упрочненных слоев.

Для оценки эффективности упрочняющих покрытий, применяемых для запорных элементов в трубопроводной арматуре, был разработан опытный образец крана шарового (рисунок 1) с уплотнением в затворе «металл по металлу» DN 50 PN 16,0 МПа.

Рисунок 2. Кран шаровой DN 50 PN 16,0 Мпа.

Объектом исследования является покрытие на основе нитрида титана TiAlN+a-C:H:Me (далее покрытие), нанесенного с помощью комбинированной PVD технологии на запорный элемент изготовленный из стали марки 20Х13 ГОСТ 5949-2018 с проведением термической обработки.   На рисунке 2 показан эскиз с указанием места нанесения покрытия и фотография запорного элемента крана (далее шар) с покрытием (б).

а                                                               б

Рисунок 2. Эскиз (а) и фото (б) испытанного шара.

Испытания шара с покрытием проводились в составе полной сборки шарового крана на стенде с обеспечением перестановки затвора и поджатием седла к шару посредством пружин с нагрузкой, имитирующей давление рабочей среды. Методика испытания подразумевала циклические операции закрытия-открытия шара. Общее количество закрытий- открытий составило 4000 циклов. Открытие –закрытие крана производилось на спроектированным и изготовленным под эту задачу стенде с применением электропривода «AUMA SR 7.01». Контроль состояния герметичности и поверхности проводился каждые 500 циклов. Контроль герметичности осуществлялся на стенде для гидравлических и пневматических испытаний ПКТБА-СИ-21М. Фото шара после наработки 2000 циклов (а) и завершения испытания (б) показано на рисунке 3.

а                                                                                б

Рисунок 3. Фото шара после наработки 2000 циклов (а) и завершения испытания (б)

После испытаний с помощью сканирующей электронной микроскопии, на микроскопе «Zeiss AxioVert A1» была исследована микроструктура покрытия на разных участках шара. В частности, сравнивались участки имеющие следы притирки/износа и участки, на которых сохранилось исходное покрытие. На рисунке 3 показана фотография схемы распила детали и анализируемые образцы.

Рисунок 4. Фотография схемы распила детали и анализируемые образцы

Образцы для анализа на электронном микроскопе выбирались таким образом, чтобы наиболее полно охватить различные участки шара. На рисунке 5 представлены микрофотографии участков шлифа исходного покрытия (а) и после приработки (б).

а                                                                          б

Рисунок 5. Микрофотографии участков шлифа исходного покрытия (а) и после приработки (б).

На рисунке 5а отображена микрофотография участка шара, на котором отсутствовало прямое взаимодействие с седлом во время испытаний, что позволяет рассмотреть морфологию покрытия. На данном изображении наглядно видны все слои покрытия и равномерное распределение их толщины на поверхности детали. Рисунок 5б демонстрирует границу между приработанной частью шара и участком, на котором отсутствует износ покрытия. Важно отметить, что после проведения 4000 циклов испытаний наблюдается износ только верхнего слоя покрытия, который является более мягким и выполняет главную функцию качественной приработки пары металл-металл. После того, как верхний слой приработан наиболее нагруженной области, износ покрытия снижается до минимума.

На рисунке 6а,б показаны другие участки шара, на которых также наблюдается отсутствие приработанного слоя. Толщина основного функционального слоя на всех исследуемых участках остается постоянной, что говорит о фактическом отсутствии его износа в течение испытания.

а                                                                             б

Рисунок 6. Микрофотографии участков шлифов, сделанные на разных сторонах шара (4 и 8 образец, см. рис. 4)

Кроме всего прочего, в ходе анализа полученных данных, был обнаружен дроплетный дефект (рисунок 7). Наличие дроплетов обусловлено технологией дугового распыления мишеней.

Рисунок 7. Микрофотография шлифа участка сферы с дроплетом

В общем случае, наличие дроплетов, это негативное явление. Дроплеты являются источниками развития различных дефектов, поэтому в общемировой практике стараются минимизировать их наличие. В данном случае, с целью уменьшения количества дроплетов, требуется либо корректировка технологического процесса нанесения основного рабочего слоя покрытия, либо использование бездроплетных технологий напыления

Заключение: После 4000 тысяч циклов испытаний, с точки зрения функционального назначения, покрытие отработало штатно, показав большой запас прочности с сохранением заданной герметичности. В связи с этим данное покрытие удовлетворяет требованиям надежности, предъявляемым к запорной арматуре.

Список литературы:

1. Лучанинов А.А., Стрельницкий В.Е. Покрытия системы Ti-Al-N, нанесенные PVD методами // Физика и инженерия поверхности. 2012. Т. 10. №1. С. 4-21.
2. Краснова М.Н. и др. Исследование критических зон рабочего колеса центробежного насоса. The scientific heritage No 81 (2021).
3. Гуревич, Д. Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры: Расчет трубопроводной арматуры / Д. Ф. Гуревич. — Москва: Издательство ЛКИ, 2008. — 480 с.
4. Гуревич, Д. Ф. Трубопроводная арматура: справочное пособие / Д. Ф. Гуревич. —2-е изд., перераб. и доп. — Ленинград: Машиностроение, 1981. — 368 с.
5. Тарасов, В.А. Многокритериальный подход к проектированию затворов трубопроводной арматуры/ С.В. Белокобыльский, П.М. Огар, В.А. Тарасов.// Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. ИрГУПС. – 2007, №3(15). –С. 6-10
6. Долотов А. М., Зацарный В. А. Системный подход к определению энергоэффективности трубопроводной арматуры// Системы. Методы. Технологии. - 2015. - № 2. - С. 66-74. [Электронный ресурс].