Азотирование стальных деталей и запирающих элементов трубопроводной арматуры

 

"ЙОНИТЕХ" ООД
www.ionitech.com
гл. техэксперт, руководитель представительства В.В. Богданов
bogdan.ion@mail.ru
ООО "Ионные технологии" директор А.В. Оборин
oborin@procion.ru
ООО "Ионные технологии" инженеры исследователи Д.М. Кинзибаев
И.С. Соколова
Е.С. Уткин
lab@procion.ru
OOO “Завод НГО “ТЕХНОВЕК”
www.technovek.ru
ведущий конструктор В.В. Костюченко
kb@technovek.ru

Основное направление совершенствования современных отраслевых требований к запорно-регулирующей арматуре для промышленных, коммунальных и магистральных трубопроводов - продление их эксплуатационного ресурса и увеличение количества рабочих циклов. Длительность функционирования кранов, клапанов, задвижек, шиберов, заслонок, затворов и другой арматуры во многом определяется износо- и коррозионной стойкостью их запирающих элементов. Таким образом, проблема продления рабочего ресурса запорной и регулирующей арматуры решается с помощью улучшения эксплуатационных качеств запирающих элементов. Одновременно рассматривается улучшение коррозионной стойкости корпусных деталей за счет применения композиционных покрытий диффузионного и адгезионного типа.

В настоящее время для улучшения качества запирающих элементов применяется несколько разных подходов и их комбинации, основных два:

Использование дорогих высоколегированных коррозионностойких марок сталей. Такой подход действительно приводит к желаемым результатам, однако в несколько раз увеличивает стоимость запорной арматуры. К тому же использование коррозионностойких сталей ограничено ввиду их малой удельной прочности. Применение сложнолегированных сталей с высоким содержанием тугоплавких элементов - кобальта, хрома, молибдена, вольфрама, ванадия и др. несоразмерно увеличивает стоимость и применимо лишь для особо ответственных изделий. Продление ресурса запорно-регулирующей арматуры за счет применения дорогих марок сталей, (в том числе для наплавок на низколегированные стали) - подход экстенсивный, его нельзя считать ни инновационным, ни высокотехнологичным.

Модификация (упрочнение) поверхностного слоя запирающего элемента. Из всех известных методов упрочнения стальных поверхностей самой прогрессивной технологией является ионная химико-термическая обработка (ИХТО) - насыщение поверхности металла азотом и/или углеродом. Наиболее эффективна низкотемпературная технология ионного азотирования и карбонитрирования, обеспечивающая минимальные деформации и высокую размерную и чистовую точность, что позволяет улучшать целый комплекс свойств упрочняемой поверхности: твердость, износостойкость, противозадирные свойства, теплостойкость, коррозионную стойкость и усталостную прочность.

Низкотемпературные процессы проводятся при температуре 400 – 600 0С, нагрев не сопровождается фазовыми превращениями и после упрочнения детали имеют весьма малые изменения геометрических параметров, таким образом ИХТО - финишная обработка, после которой детали идут на сборку, не требуется шлифовка как после цементации и газового азотирования, поверхностная нитридная зона обладает высокой твёрдостью, что оказывает решающее влияние на свойства изделия. Технология ионного азотирования и карбонитрирования массовая, передовая, ресурсосберегающая и экономически выгодная по сравнению со всеми другими процессами упрочнения. Гарантийный ресурс запорной и регулирующей арматуры увеличивается в несколько раз, что подтверждено производственными испытаниями и эксплуатацией в самых сложных условиях  эрозионного и кавитационного воздействия, а также в присутствии сероводорода и слабых растворов различных кислот. Высокая стойкость к межкристаллитной коррозии и растрескиванию под нагрузкой как раз и объясняется бездефектным строением поверхностной плотноупакованной зоны химических соединений углерода и азота с железом и легирующими элементами.

Специалистами пермского Научно Производственного предприятия ”Ионные Технологии” совместно с производителями запорной-регулирующей арматуры были проведены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР) по упрочнению различных узлов и деталей арматуры. В результате проведенного комплекса работ была разработана специальная приоритетная технология ионной ХТО.

В настоящее время данная технология опробована и успешно внедрена на многих предприятиях производителях запорно-регулирующей арматуры: ООО “Завод НГО “Техновек”, (Россия, Воткинск); “HABONIM INDUSTRIAL VALVES & ACTUATORS” (Израиль); ООО “Камский арматурный завод”, (Россия, г. Пермь); ООО “Экомаш+Урал” (Россия, Новоуральск); ООО “Завод “Синергия”, (Россия, Пермь); ООО “Пермская компания нефтяного машиностроения”, (Россия, Пермь), ООО “АНКОС” г.Пермь и многих других предприятиях.

Приводим краткие сведения по результатом НИОКР, подтверждающие высокую эффективность упрочнения методом ионного азотирования и карбонитрирования для продления ресурса запорно-регулирующей арматуры.

На рисунке 1 представлены фотографии процесса упрочнения деталей “Шибер” и “Седло” запирающих элементов шиберных задвижек нефтегазового оборудования производства ООО “Завод НГО “Техновек” (Россия, Воткинск).

азотирования деталей шебер и седлоупрочнение стальных деталей шебер и седло
детали во время ионного азотирования
деталей шебер и седло после азотированиядеталей шебер и седло после упрочнениястальные деталей шебер и седло после азотирования
общий вид деталей после упрочнения
Рисунок 1. Общий вид азотируемых деталей “Шибер” и “Седло” производства ООО “Завод НГО “Техновек”

На рисунке 2 представлены фотографии процесса упрочнения элементов шаровых кранов компании “HABONIM INDUSTRIAL VALVES & ACTUATORS” (Израиль), ведущего производителя инновационной запорной арматуры на Ближнем Востоке.

азотирования деталей шаровых крановупрочнение деталей шаровых кранов
детали на оснастке до обработкидетали во время ионного азотирования
Рисунок 2. Общий вид азотируемых деталей элементов шаровых кранов производства “HABONIM INDUSTRIAL VALVES & ACTUATORS”

На рисунке 3 представлены фотографии ионно-плазменной обработки деталей “Шибер” для задвижек высокого давления производства ООО “Камский арматурный завод” (Россия, Пермь).

азотирования деталей задвижек высокого давленияупрочнение стальных деталей задвижек высокого давления
детали на оснастке до обработкидетали во время ионного азотирования
Рисунок 3. Общий вид азотируемых деталей “Шибер” для задвижек высокого давления производства ООО “Камский арматурный завод”

На рисунке 4 представлены фотографии процесса упрочнения деталей “Седло” и “Цилиндрическая пробка”, применяемых в запорном оборудовании высокого давления до 105 МПа для нефтегазовой отрасли производства ООО “Экомаш+Урал”, (Россия, Новоуральск).

азотирования деталей запорной арматуры для нефтегазовой отраслиупрочнение деталей запорной арматуры для нефтегазовой отрасли
детали до процесса упрочнениядетали во время ионного азотирования
ионное азотирование деталей запорной арматурыионное азотирования деталей запорной арматуры для нефтегазовой отрасли
детали после процесса ионного азотирования
Рисунок 4. Общий вид азотируемых деталей “Седло” и “Цилиндрическая пробка” для запорной арматуры высокого давления 105 МПа производства ООО “Экомаш+Урал”

На рисунке 5 представлены фотографии процесса упрочнения деталей “Шток задвижки” для запорной арматуры производства ООО “НПК “Нефтяное машиностроение” (Россия, Лысьва).

азотирования штоков задвижек упрочнение стальных штокв задвижек
детали во время ионного азотированиядетали после процесса ионного азотирования
Рисунок 5. Общий вид азотируемых деталей “Шток задвижки” для запорной арматуры производства ООО “НПК ”Нефтяное машиностроение”

Запирающие элементы и детали запорно-регулирующей арматуры указанных производителей были выполнены из следующих марок сталей: 40ХН, 20Х13 и 38Х2МЮА. В таблице 1 представлены характеристики азотированных слоев на этих сталях полученных при обработке. На рисунках 6 - 8 представлены фотографии микроструктуры поверхностных упрочненых слоев. На рисунке 9 показана зависимость микротвердости от глубины упрочненного слоя. На рисунке 10 представлены фотографии отпечатков хрупкости азотированных слоев на сталях 40ХН, 20Х13 и 38Х2МЮА.

Таблица 1. Характеристики азотированного слоя на сталях 40ХН, 20Х13, 38Х2МЮА
 40ХН20Х1338Х2МЮА
Поверхностная твердость HV 5, кгс/мм2580 - 640920 - 9701120 - 1200
Поверхностная микротвердость HV 0.1, кгс/мм2580 - 670940 - 9801145 - 1200
Глубина слоя по микроструктуре hm, мм0,400,17 - 0,180,27 - 0,28
Глубина слоя по микротвердости hс, мм0,400,200,30
Толщина нитридной зоны, мкм5 - 10-10 - 12
Хрупкость по шкале ВИАМI балл, не хрупкийI балл, не хрупкийI балл, не хрупкий

 

фотография микрструктуры азотированного слоя на стали 40ХНфотография микрструктуры упрочненного слоя на стали 40ХН
h м. = 0,40 мм.h н.з. = 5 - 10 мкм.
увеличение в 50 разувеличение в 1000 раз
Рисунок 6. Микроструктура азотированного слоя на стали 40ХН

 

фотография микрструктуры азотированного слоя на стали 20Х13
h м. = 0,17 - 0,18 мм.
увеличение в 50 раз
Рисунок 7. Микроструктура азотированного слоя на стали 20Х13

 

фотография микроструктуры азотированного слоя на стали 40ХНфотография микрструктуры упрочненного слоя на стали 40ХН
h м. = 0,30 мм.h н.з. = 10 - 12 мкм.
увеличение в 50 разувеличение в 1000 раз
Рисунок 8. Микроструктура азотированного слоя на стали 38Х2МЮА

 

график зависимости микротвердости от глубины азотированного слоя на сталях 40ХН, 20Х13, 38Х2МЮА
Рисунок 9. График распределения микротвердости по глубине азотированного слоя на сталях 40ХН, 20Х13, 38Х2МЮА

 

Фотография отпечатка хрупкости азотированного слоя на стали 40ХНФотография отпечатка хрупкости азотированного слоя на стали 20Х13Фотография отпечатка хрупкости азотированного слоя на стали 38Х2МЮА
сталь: 40ХНсталь: 20Х13сталь: 38Х2МЮА
Рисунок 10. Отпечатки хрупкости HV30 азотированного слоя на сталях 40ХН, 20Х13, 38Х2МЮА

В результате ионного азотирования на деталях формируется равномерно развитый нехрупкий азотированный слой, а на низколегированных сталях (40ХН и 38Х2МЮА) на поверхности также формируется высококачественная нитридная зона с повышенной твердостью. Твердость, и как следствие износостойкость рабочих поверхностей деталей увеличилась в несколько раз, улучшились адгезионные свойства, снизился коэффициент трения. Данный комплекс покрытий обеспечивает высокие прочностные и эксплуатационные свойства запирающих элементов и комплектующих, что позволило существенно продлить эксплуатационный ресурс запорно-регулирующей арматуры.

В настоящее время по созданной технологии на нашем оборудовании производится упрочнение запорно-регулирующей арматуры для широкого круга предприятий эксплуатирующих трубопроводную продукцию, совместные исследовательские работы развиваются в других городах, с привлечением научных учреждений и КБ, в частности - Ижевске, Санкт-Петербурге, Уфе, Оренбурге, Челябинске

Многолетний опыт, компетенции и приоритетные конструкторско-технологические решения (ноу-хау) позволили нам занять лидирующие позиции по внедрению технологий ионной ХТО во всех отраслях промышленности. В настоящий момент для ряда производителей запорной арматуры специалистами ООО “Ионные Технологии” ведутся работы по поставке оборудования и внедрению технологии ионного азотирования “под ключ”.

На сегодняшний день ионно-вакуумное азотирование является передовой технологией поверхностного упрочнения деталей. Применение технологии ионного азотирования при серийном производстве трубопроводной продукции, в том числе при производстве запорно-регулирующей арматуры, позволяет поднять качество выпускаемой продукции на принципиально новый уровень.

Для предприятий эксплуатирующих различные типы трубопроводов, в том числе магистральные, применение упрочненной арматуры позволяет обеспечить длительную эксплуатационную надёжность, что гарантирует безаварийную работу и снижение расходов на ремонт и техническое обслуживание трубопроводов.

Основное направление совершенствования современных отраслевых требований к запорно-регулирующей арматуре для промышленных, коммунальных и магистральных трубопроводов направлен в сторону продления их эксплуатационного ресурса и увеличения количества рабочих циклов. Длительность функционирования кранов, клапанов, задвижек и заслонок во многом определяется износо- и коррозионной стойкостью их запирающих элементов. Таким образом, проблема продления рабочего ресурса запорной и регулирующей арматуры решается с помощью улучшения эксплуатационных качеств запирающих элементов. Одновременно рассматривается улучшение коррозионной стойкости корпусных деталей за счет применения композиционных покрытий диффузионного и адгезионного типа.