 |
| ООО "Ионные технологии" | руководитель НИОКР, главный тех.эксперт | 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 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.
Технология ионной ХТО внедрена на многих заводах и предприятиях нефтегазовой отрасли: ООО «Завод НГО «Техновек», г. Воткинск; «HABONIM INDUSTRIAL VALVES & ACTUATORS», Израиль; ООО «Камский арматурный завод», г. Пермь; ООО «Экомаш+Урал», г. Новоуральск; ООО «Завод «Синергия», г. Пермь; ООО «Пермская компания нефтяного машиностроения», г. Пермь; АО «Воткинский завод», г. Воткинск, ООО «Гусеевский арматурный завод «Гусар», г. Гусь-Хрустальный, ООО «Инженерные технологии», г. Оренбург, ОАО «Воткинская промышленная компания», г. Воткинск и многих других предприятиях.
Приводим краткие сведения по результатам 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).
Гарантийный ресурс работы деталей (при нормативном давлении 70 МПа) увеличился с 800 до 2500 циклов, что подтверждено заводскими испытаниями.
 |  | |||||
| до ионного азотирования | в процессе ионного азотирования | |||||
| ||||||
| детали во время ионного азотирования | ||||||
 |  |  |  | |||
общий вид деталей после упрочнения | ||||||
Рисунок 1. Общий вид азотируемых деталей “Шибер” и “Седло” производства ООО “Завод НГО “Техновек” | ||||||
На рисунке 2 представлены детали компании «HABONIM INDUSTRIAL VALVES & ACTUATORS» (Израиль), которая является ведущим производителем инновационной запорной арматуры на Ближнем Востоке.
 |  |
| детали на оснастке до обработки | детали 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).
 | .jpg) | ||
| детали на оснастке перед упрочнением | |||
 |  | ||
 |  | ||
| детали во время ионного азотирования | |||
 |  | ||
| детали после обработки | |||
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).
 |  |
| детали до процесса упрочнения | детали во время ионного азотирования |
 |  |
| детали после процесса ионного азотирования | |
 | |
| детали после совмещенного режима азотирования и оксидирования | |
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).
 |  |
| детали во время ионного азотирования | детали после процесса ионного азотирования |
Рисунок 5. Общий вид азотируемых деталей “Шток задвижки” для запорной арматуры производства ООО “НПК ”Нефтяное машиностроение” | |
На рисунке 6 представлены детали «Диск клиновой задвижки», «Шибер», «Седло» для запорной арматуры производства ООО «Камский арматурный завод», (Россия, Пермь).
 |  |
Рисунок 6. Общий вид упрочняемых деталей “Диск клиновой задвижки”, “Шибер”, “Седло” для запорной арматуры производства ООО “Камский арматурный завод” | |
На рисунке 7 представлены фотографии процесса упрочнения деталей «Клин» для задвижки производства ОАО «Воткинская промышленная компания», (Россия, Воткинск)
 |  |  |
| до упрочнения | в процессе ионно плазменного азотирования | после азотирования |
Рисунок 7. Общий вид упрочняемых деталей “Клин” для задвижек производства ОАО “Воткинская промышленная компания” | ||
На рисунке 8 представлены фото процесса азотирования деталей «Шпиндель» и "Винтовой вал" для запорной арматуры производства ОАО «Торговый дом «Воткинский завод» (Россия, Воткинск).
 |  |  |
| в процессе ионного азотирования | после процесса упрочнения | измерния твердости поверхности детали |
 |  |  |
| в процессе ионного азотирования | в процессе ионного азотирования при отключении плазмы | до ионного азотирования |
Рисунок 8. Общий вид упрочняемых деталей “Шпиндель” и "Винтовой вал" для задвижек производства ОАО “Торговый дом “Воткинский завод” | ||
На рисунке 9 представлены детали «Шток горизонтальный» и «Шток вертикальный», а так же «Сепаратор» и «Поршень» (ООО «ТРЭМ Инновации», г. Томск).
 |  |  |
 |  | |
 |  | |
Рисунок 9. Общий вид азотируемых деталей “Седло” и “Цилиндрическая пробка” для запорной арматуры высокого давления 105 МПа производства ООО “Экомаш+Урал” | ||
Приводим здесь снятый в цехе нашего предприятия видеоролик процесса упрочнения деталей “Цилиндрическая пробка” для производства запорной арматуры высокого давления (105 МПа).
Запирающие элементы и детали запорно-регулирующей арматуры указанных производителей были выполнены из следующих марок сталей: 40ХН, 20Х13, 38Х2МЮА и 07Х16Н6. В таблице 1 представлены характеристики азотированных слоев на этих сталях, полученных при обработке. На рисунках 10 - 12 представлены фотографии микроструктуры поверхностных упрочненных слоев. На рисунке 13 показана зависимость микротвердости от глубины упрочненного слоя. На рисунке 14 представлены фотографии отпечатков хрупкости азотированных слоев на сталях 40ХН, 20Х13, 38Х2МЮА и 07Х16Н6.
Таблица 1. Характеристики азотированного слоя на сталях 40ХН, 20Х13, 38Х2МЮА, 07Х16Н6
| 40ХН | 20Х13 | 38Х2МЮА | 07Х16Н6 | |
| Поверхностная твердость HV 5, кгс | 580 - 640 | 920 - 970 | 1120 - 1200 | 1070 - 1150 |
| Поверхностная микротвердость HV 0.1, кгс | 580 - 670 | 940 - 980 | 1145 - 1200 | 1140 - 1260 |
| Глубина слоя по микроструктуре hm, мм | 0,40 | 0,17 - 0,18 | 0,27 - 0,28 | 0,15 - 0,16 |
| Глубина слоя по микротвердости hс, мм | 0,40 | 0,20 | 0,30 | 0,20 |
| Толщина нитридной зоны, мкм | 5 - 10 | - | 10 - 12 | - |
| Хрупкость по шкале ВИАМ | I балл, не хрупкий | I балл, не хрупкий | I балл, не хрупкий | I балл, не хрупкий |
 | |
| Рисунок 10. Микроструктура азотированного слоя на стали 40ХН |
.jpg) | |
| сталь 20Х13, х100 | сталь 07Х16Н6, х100 |
| Рисунок 11. Микроструктура азотированного слоя на сталях 20Х13 и 07Х16Н6 | |
 | |
| Рисунок 12. Микроструктура азотированного слоя на стали 38Х2МЮА |
 |
| Рисунок 13. График распределения микротвердости по глубине азотированного слоя на сталях 40ХН, 20Х13, 38Х2МЮА |
 |  |  |  |
| сталь: 40ХН | сталь: 20Х13 | сталь: 38Х2МЮА | сталь: 07Х16Н6 |
| Рисунок 14. Отпечатки хрупкости HV30, х100 | |||
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.
-
ЗАКАЗАТЬ АЗОТИРОВАНИЕ
* Узнать можно ли упрочнить вашу деталь?