Автор: С.В. Кислов (НПЦ «Технологии минеральных покрытий»).
Опубликовано в журнале Химическая техника №9/2016
Любая современная техника характеризуется, среди прочих свойств, износостойкостью узлов и механизмов.
Низкий ресурс узлов и агрегатов приводит к необходимости значительных затрат на ремонт и производство запасных частей. Примером могут служить детали узлов подшипников скольжения, шейки валов, втулки, детали зубчатых зацеплений в редукторах и многие другие. Затраты на ремонт и техническое обслуживание узлов, деталей и механизмов могут в несколько раз превышать их первоначальную стоимость. Ситуация усугубляется, когда детали, даже обладающие достаточно высокими физико-механическими показателями, работают в агрессивных средах (морская вода, соляной туман, сероводород, абразивные смеси и др.), что типично для многих отраслей промышленности и различных видов транспорта.
Причина низкого ресурса деталей и других элементов конструкций в значительной степени может быть связана с изнашиванием и коррозионным повреждением их поверхностных слоев. Для устранения и/или торможения процессов, протекающих на границе металл/среда и негативно воздействующих на работоспособность материалов, применяют различные виды поверхностной обработки.
До последнего времени основными способами борьбы с изнашиванием в машиностроении были повышение твердости поверхностей трущихся деталей и создание покрытий. Разработаны, хорошо исследованы и получили широкое распространение для повышения твердости деталей азотирование, цементация и другие методы модифицирования поверхности, а также методы создания покрытий, защитных пленок и слоев гальваническими методами, способами термической и ионно-плазменной обработки, микродугового оксидирования, газопламенного напыления и др. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки, а также ограничения на применение. К достоинству многих из этих методов можно отнести относительно невысокую стоимость, к недостаткам – проблемы адгезии, появление дефектов; ограничения, накладываемые размером ванн, печей, вакуумируемого пространства; изменение геометрии детали после обработки.
Однако существуют технология и общие подходы к обработке поверхности, которые не имеют указанных недостатков, а параметры износостойкости, коррозионной стойкости, антифрикционные свойства, особенно в агрессивной среде, многих пар трения значительно превосходят лучшие параметры, полученные традиционными способами. Разработанная оригинальная технология создания модифицированных минеральных слоев представляет собой комплексную технологию формирования поверхностей пар трения механических систем, основанную на использовании нового класса конструкционных материалов – минералов природного происхождения, после специальной обработки приобретающих высокую термодинамическую устойчивость. При использовании минеральных покрытий на различных деталях (узлы подшипников скольжения, шейки валов, детали зубчатых зацеплений в редукторах и ролики различного назначения) получены прекрасные эксплуатационные характеристики. Применение минеральных покрытий сокращает энергопотребление и повышает энергоэффективность производства за счет увеличения срока службы деталей и повышения эффективности их работы.
Анализ опыта применения минеральных покрытий на некоторых предприятиях России показал не только значительную экономию средств и ресурсов, но и возможность обретения предприятиями решающего конкурентного преимущества. Как показывает имеющийся международный опыт нашего сотрудничества, научно-технические экспертизы Фонда Бортника, Роснано, Фонда Сколково, а также заключения многих экспертов мирового уровня, в настоящее время подобной технологии нет больше ни у кого, ни в России, ни в других странах мира.
Немаловажным фактором для арматуры различных видов является момент страгивания после стояночного режима оборудования (более 1 недели) во время проведения регламентных или аварийных остановов, проведения текущих или капитальных ремонтов и др.
В таких случаях в месте контакта металлических деталей и в уплотнениях возникает химическая реакция, вызывающая коррозию металла с адгезивным воздействием («закисание»). Этому также активно способствуют частицы регулируемой среды (пар, кислоты, морская вода, газ, нефть и др.). При этом уплотнение зачастую частично или полностью разрушается. В энергетике на различных ТЭЦ и ГРЭС применяются операция так называемого «расхаживания» штока, когда краном дергают шток, чтобы как-то стронуть его. В зависимости от времени простоя бывают случаи, когда штоки «закисают» настолько, что они обрываются со всеми вытекающими последствиями.
Учитывая важность задачи по повышению безопасности и надежности работы турбинного оборудования, был проведен ряд стендовых и эксплуатационных испытаний на различных объектах.
На ответственном узле парораспределения паровой турбины в ОАО «Калужский турбинный завод» были проведены натурные испытания пары шток–уплотнение из терморасширенного графита, работающей при температуре пара 560°С. Предварительно производился замер усилия страгивания штока в уплотнении, после чего был смоделирован останов работы узла, который был оставлен без движения на один месяц при остаточной влажной среде. По истечении этого времени был произведен повторный замер усилия страгивания, значение которого не изменилось.
По просьбе одного из партнерских энергоремонтных предприятий для нужд Рязанской ГРЭС были произведены работы по нанесению минеральных покрытий на штоки регулирующих клапанов турбины К-300-240, выполненных из стали 15Х11МФ. Усилие страгивания не превысило 300 кгс, что позволило применить минеральные покрытия для штоков клапанов с непроточными сальниковыми уплотнениями, устанавливаемых взамен исчерпавших ресурс клапанов на турбинах, находящихся в эксплуатации. Впервые покрытия были применены в 2010 г. на стопорных и сбрасывающих клапанах на турбине К-300-240.
При осмотре состояния штоков в зоне их взаимодействия с сальниковыми уплотнениями было обнаружено следующее:
- отсутствует коррозионная активность материалов уплотнения с материалом штока;
- не замечено следов коррозии на материале штока;
- не обнаружено «закисления» пары шток–уплотнение после стояночного режима.
На основании данных фактов специалистами был сделан вывод, что применение минеральных покрытий на штоках для клапанов турбин на дои сверхкритичных параметрах пара существенно изменило ситуацию в отношении использования непроточных сальниковых уплотнений на основе терморасширенного графита и позволило отказаться от уплотнений на основе жидкометаллических материалов.
Обобщая хорошие показатели обоих описанных случаев, можно говорить, что минеральные покрытия кроме хороших триботехнических свойств одновременно обладают хорошими антикоррозионными свойствами и устойчивостью к воздействию химически активных материалов.
Также может быть интересен пример по воздействию сероводорода на различные детали. В условиях Камчатской геотермальной электростанции с 2003 г. эксплуатируются турбины, на которые подается вулканический пар, прошедший предварительную очистку, но из-за невозможности полной очистки, содержащий 8…12%-ную серную кислоту. Учитывая агрессивность среды, были произведены работы по нанесению минеральных покрытий на детали узлов регулирования и защиты турбины. Все узлы работают надежно до сих пор без каких-либо замечаний и отказов.
В арматуре вследствие трения и износа наиболее часто встречаются следующие явления:
- разгерметизация;
- протечки;
- заклинивание плунжерных пар, штоков, запирающих элементов;
- абразивное или механическое изнашивание (в результате режущего или царапающего действия механических примесей);
- износ пальцев при повороте затвора;
- коррозионно-механическое изнашивание;
- изнашивание клинового затвора и многие другие.
Для решения возникающих при этом проблем в сотрудничестве с одним из крупнейших российских производителей арматуры в конце 2015 г. были произведены испытания следующих образцов-имитаторов с минеральным покрытием:
- образцов-имитаторов уплотнительных поверхностей арматуры;
- образцов-имитаторов для испытаний на двухугловой изгиб и стойкость в камере повышенной влажности.
Материал образцов: сталь 20Х13, сталь 20, сталь 45Х, наплавки.
В соответствии с договором и программой испытаний на образцах с минеральным покрытием были проведены следующие испытания.
Испытание на износостойкость
Испытания проводили на стенде возвратно-поступательного перемещения. Триботехнические испытания показали значительное повышение износостойкости образцов с минеральным покрытием (в 4–5 раз, 500 – 600%) по сравнению с износостойкостью исходных образцов. На протяжении испытаний образцы с минеральным покрытием прирабатывались, понижая шероховатость. После завершения испытаний приработанная поверхность имела шероховатость Ra 0,1.
Определение фрикционных свойств
В ходе приработки образцов поверхности трения показывали склонность к выглаживанию. В ходе испытаний образцов с минеральным покрытием наблюдалось снижение коэффициента трения по сравнению с коэффициентом трения на образцах без минерального покрытия с Ra 0,6 до Ra 0,3.
Испытания противозадирных свойств
В результате испытаний на стенде образцы с минеральным покрытием показали отсутствие задиров и признаков схватывания. В процессе приработки наблюдалось выглаживание образцов с понижением шероховатости до Ra 0,1 (зеркально-гладкая поверхность).
Испытание на пластичность
Испытание на пластичность проводили в специальной оснастке по ГОСТ Р 9.317–2010, п.5.2. Образец с минеральным покрытием выдержал испытание на пластичность (двухугловой изгиб) с прогибом 0,5 мм. Трещины и расслоения не обнаружены. Образец соответствует указанному ГОСТу.
Испытание на коррозионную стойкость
Испытания проводили в камере с повышенной влажностью с автоматическим поддержанием установленного режима температуры (40 ±3°С) и относительной влажности окружающего воздуха (97 ± 3%). При испытаниях контролировали внешний вид минерального покрытия до начала испытаний, после испытаний продолжительностью 130 ч и после испытаний продолжительностью 650 ч. Перед проведением испытаний на воздействие повышенной влажности воздуха проведена проверка внешнего вида образцов наружным осмотром.
В соответствии с протоколом испытаний после 130 ч проведена проверка внешнего вида наружным осмотром.
На всех образцах коррозии не обнаружено. Испытание было продолжено до 650 ч, после чего наружным осмотром установлено, что на всех образцах следы коррозии, вздутия, трещины и расслоения не обнаружены.
Несмотря на то, что шероховатость не являлась основным параметром, контроль шероховатости осуществляли профилометром на всех образцах до и после нанесения минерального покрытия. Значения шероховатости (Ra) образцов с минеральным покрытием находилось в пределах (1,66…3,93). После триботехнических испытаний на износостойкость наблюдалось выглаживание образцов с понижением шероховатости до Ra 0,1.
Минеральные покрытия являются промышленной технологией и имеют сертификацию:
- Российского Морского Регистра Судоходства;
- Системы менеджмента качества ISO 9001–2008 для деталей и узлов энергетического оборудования;
- Министерства обороны РФ по применению минеральных покрытий в механических узлах и системах кораблей военно-морского флота (Разрешение).
В настоящее время покрытия широко используются в ОПК, энергетике, металлургии, судостроении, машиностроении и других отраслях. Покрытия обладают способностью увеличить срок службы деталей в среднем от 3 до 10 раз в зависимости от нагрузки и условий работы.
Данная разработка в области повышения надежности и ресурса вызвала большой интерес у крупных западных компаний различного профиля, стремящихся получить решающее конкурентное преимущество в условиях жесткого рынка. Демпинг цен никогда не приводит к завоеванию рынка, поэтому все фирмы стремятся овладеть какой-то уникальной компетенцией, особенно, когда это приобретается в качестве эксклюзивного права и на несколько лет. В области минеральных покрытий было осуществлено два международных проекта: российско-германский (2010–2012 гг.), направленный на повышение надежности насосного и турбинного оборудования, и российско-финский (2013–2015 гг.), для защиты и локальной маркировки металлических изделий от подделок, их идентификации и аутентификации. Последний проект интересен тем, что в данный момент рынок арматуры наводнен контрафактной продукцией, причем данная проблема существует не только в России, но во всем мире.
Исходя из реалий нынешней ситуации, когда после вступления России в ВТО в течение буквально двух лет наш рынок заполонили зарубежные промышленные товары, в том числе и арматура, отечественные производители оказались далеко не в выигрышном положении.
Сферу нефтегазовой, энергетической и другой арматуры стали заполнять конкуренты из США, Европы и Китая.
Но сейчас из-за введенных западных санкций у российских произ-водителей есть шанс восстановить упущенные рыночные позиции, используя новые технологии, способствующие повышению надежности и дающих реальный экономический эффект при эксплуатации.
Мы готовы к сотрудничеству со всеми предприятиями–производителями арматуры, а также предприятиями–потребителями продукции арматуростроения.
Использование технологии минеральных покрытий в течение уже 10 лет дало многим промышленным предприятиям по-другому взглянуть на сокращение своих производственных затрат. Уверены, что наш значительный опыт и готовые решения дадут возможность сэкономить значительные ресурсы и получить стратегическое конкурентное преимущество.
