Защитни покрития за тръбопроводна арматура

В и КСп. Инженеринг ревю - брой 2/2016 • 31.03.2016

Защитни покрития за тръбопроводна арматура
Защитни покрития за тръбопроводна арматура

Cферичните спирателни кранове с метално седло постепенно изместват вентилните, шибърните и ъгловите, паралелно с постоянното нарастване на температурата и налягането на флуидите, пренасяни в промишлените тръбопроводи. Те се развиха в надеждни механизми за затваряне и изолация, и намират приложение в инсталации с горещи, абразивни и понякога корозивни течности.

Уникалната конструкция на металния сферичен кран се оказва отлична в експлоатационно отношение, но само конструкцията не е достатъчна, за да има кранът добри работни характеристики. Покритията защитават клапаните и задвижващите механизми на крановете срещу износване, ерозия, химически въздействия и други сили, които заплашват тяхната дълготрайност и ефективност.

Но след като пред металните сферични кранове има толкова разнообразни предизвикателства, съществуват най-разнообразни покрития за тях. Покритията за сферични кранове си имат собствени характеристики, които в много случаи се различават от тези на други видове клапани.

Тези покрития могат да бъдат защитни (предпазващи от износване, корозия, окисляване и сулфидиране), или функционални (променящи свойствата на повърхността – електрическата проводимост, диелектрична якост и топлопроводимост). Покритията, нанесени чрез електродъгова метализация, обикновено са по-тънки от покритията с плазмено заваряване и не са свързани металургично със субстрата, освен ако не бъдат подложени на топлинна обработка след полагането им.

Тъй като цената на никела и на други суровини расте, те са икономически ефективна алтернатива на изработката на цели компоненти от скъпи сплави. Открит преди 100 години, процесът на нанасяне чрез електродъгова метализация се е развил в цяла поредица от твърде усложнени, модерни материали за покрития и методи за тяхното нанасяне. Тези покрития се правят както от чисти метални и керамични, така и от композитни или двуслойни материали.

Има и специални покрития, целящи оптимизиране на определени свойства, като твърдост, якост и обработваемост. Материалите на покритията могат да бъдат смесени, за да се получат композитни свойства или нанесени на слоеве с различни свойства. Например долен пласт на покритие от устойчива на корозия никелова сплав, може да бъде покрит с твърд материал за устойчивост на износване.

Процесите на последваща обработка на покритието могат да променят структурата и свойствата му, за постигане на определени качества. Сред тях е сплавяването, вид синтероване, извършвано ръчно или в пещи с периодично действие, което уплътнява покритията и създава металургична връзка със субстрата. Това увеличава якостта на сцепление на покритието на места, където има триене в резултат на плъзгане или друг вид абразивно въздействие.

Необходимост от полагане на покрития
Сферичните спирателни кранове с метално седло постигат уплътнение чрез контакт на металната сфера с металното седло. При триене на "меки" метали с еднаква твърдост един в друг, дори при умерено налягане, се получава износване. Микроскопичните издатини на повърхността на седлото се трият с тези на сферата, в резултат на което се получава повърхностно триене, нагряване и пластична деформация.

С течение на времето, в резултат на многобройните отваряния и затваряния на крана, повредата става все по-голяма, докато спирателният кран стане неизползваем поради хлабина. Ако триещите се повърхности на сферичния кран не бъдат защитени с някакъв вид покритие, износването би станало очевидно почти веднага след подлагането на крана на изпитания. След като кранът бъде монтиран и въведен в експлоатация, разнообразните ефекти на различни вредни среди биха ускорили износването експоненциално.

Подходящо подбраните покрития намаляват триенето между сферата и седлото на сферичния кран, като им позволяват да се отварят и затварят гладко в продължение на много работни цикли, намалявайки до минимум повредите в резултат на износване, абразия, ерозия, влияние на частици, кавитация и топлинно изкривяване. Намаляването на триенето понижава работния въртящ момент на крана, което от своя страна има няколко допълнителни предимства.

По-малкият въртящ момент позволява използване на по-малък задвижващ механизъм, което е по-икономично, намалява общите размери на крана , подобрява значително времето на реакция на системата за управление и опростява избора на принадлежности за постигане на изискванията за скорост на затваряне и отваряне на крана и др.

Процеси за полагане на покритието
Галванизирането включва полагане на покрития във вана, съдържаща хромова киселина и сулфати или флуориди като катализатори. Този процес се използва за стандартно твърдо хромиране. При електродъговата метализация покритията се полагат в пещ или пламъчно.

Размерът на частта, която следва да бъде защитена с такова покритие, е ограничен от капацитета на пещта. Никел-боровите покрития се нанасят по този метод на сфери за спирателни кранове с диаметър до 18 цола. Високоскоростната метализация осигурява изключително устойчиви на износване карбидни покрития. При нея покритието се полага като прах и се обработва с високоскоростна струя на горими газове.

При процесите на термична дифузия елемент се разпръсква по повърхността на материала, за да се създаде гъста реакционна зона с повишена твърдост на повърхността и устойчивост на износване и удар. Устойчивостта на корозия зависи от свойствата на основния метал.

Нанасянето на покритието чрез плазмено напръскване включва заваряване на покритието към субстрата, като самото покритие е под формата на прах или на заваръчен прът. Този процес обикновено се използва за нанасяне на покрития от сплави на базата на кобалт.

Видове покрития
При борирането се използва процес на химическо отлагане в паро-газова среда при висока температура (chemical vapor deposition (CVD), за нанасяне на изключително твърд слой покритие, което създава истинска металургична връзка със субстрата и го защитава, няма пори и предпазва от корозия. Недостатък на този тип покритите е дебелината му – то е много тънко (около 0,0254 мм) и не може да се използва при кранове с големи диаметри.

Този тип покритие по-скоро е подходящо за ерозионни и корозивни среди, например за сферични кранове в газови рафинерии и химически заводи. Предимството на това покритие е, че то няма определени температурни ограничения. То обаче не може да се използва в среда с азотна киселина и други корозивни вещества.

Високата температура създава топлинна деформация на субстрата, което ограничава използването на този тип покритие за шлифовани седла на сферични кранове. Незначителната дебелина на това покритие го прави уязвимо на точкови претоварвания и износване.

Покритието от хромов карбид притежава твърдост около 65 по Rockwell (Rc) и е устойчиво на ерозия и екстремни температури. То се нанася чрез електродъгова метализация, която позволява известна порьозност на завършения слой, или чрез топене, което не осигурява порьозност, но е по-устойчиво на силно топлинно въздействие. Покритието, нанесено чрез високоскоростното кислородно горивно напръскване, (HVOF) е доста устойчиво на напукване, докато нанесеното чрез стопяване покритие има по-добра устойчивост на корозия.

Покритието от хромов карбид, нанесено чрез HVOF, има по-малко свързващо никелово-хромно свързващо вещество. В повечето случаи то е по-твърдо и по-устойчиво на ерозия.

Покритията, нанесени чрез стопяване, са по-непорьозни, но се използват рядко, защото обикновено са по-меки, а сплавите, от които е направен кранът, обикновено също са на база никел. Процесът на нанасяне на покритието чрез стопяване е свързан с нагряване до температура 983 °C, в резултат на което металът на субстрата може да се деформира, което оскъпява покритието и го прави неподходящо за много случаи.

Покритието от твърд хром се полага чрез електролиза. Това покритие гарантира твърда повърхност и изисква много малко вторични операции, макар че може да се наложи полиране, за да може повърхността да е по-фина от 6 rms. Това покритие е подходящо за най-различни приложения, с чисти течности и газове при умерени температури и налягания. Неговата устойчивост на корозия е еквивалентна на тази на неръждаемата стомана (AISI 316) с определени ограничения: слаба устойчивост на ниско рН; не бива да се използва в морска вода, с хлорен разтвор и в други среди с високо съдържание на хлориди.

Покритието от твърд хром има един важен недостатък, който няма нищо общо с качествата на покритието, а по-скоро с процеса на неговото полагане: той изисква употребата на шествалентен хром - Cr (VI), чието приложение става все по-ограничено. Това засега не е проблем за производителите на водопроводна арматура. Макар че броят на доставчиците, предлагащи услуги за хромиране, като цяло намалява, това се отразява най-вече на потребителския пазар. Що се отнася до конвенционалното покритие от твърд хром, няма сериозни проблеми.

Експертите са съгласни, че ограниченията на Cr (VI) днес не са проблем, но в бъдеще се очаква въздействието им да се засили. Междувременно, производителите зависят от доставчиците си, за да спазват нормите. Във всеки случай, поне понастоящем няма подходящи заместители на покритието от твърд хром. При по-големи поръчки то става по-евтино. Някои твърдят, че съображенията за опазване на околната среда са предимство за електродъговата метализация, при която не се използва Cr (VI) и не се вреди на природата.

Базираните на кобалт сплави се полагат чрез електродъгова метализация, чрез стопяване на прахово покритие или чрез заваряване с напластяване. Стопените и заварените базирани на кобалт сплави са по-меки, но когато този материал бъде нанесен по метода HVOF, той става една от най-здравите сплави. Тези покрития имат твърдост над 68 Rc и са едни от най-популярните покрития за сферични спирателни кранове и за седлата им.

Керамичните покрития могат да гарантират твърдост 60 Rc (макар че на практика тя е от порядъка на 50-55 Rc) и включват хромов оксид, титанов оксид и комбинация от алуминиеви и титанови оксиди. Тези покрития се нанасят чрез електродъгова метализация или плазмено. Това покритие има и версия, в която титаново и хромово покритие се нанасят върху танталов свързващ слой.

Този вариант е обект на критики заради слабата си адхезия, високата си порьозност и уязвимостта си на пукнатини в случай, когато хромов оксид е нанесен чрез метализация. Най-солидното засега покритие е това от титанов диоксид, защото то притежава твърдост и устойчивост на износване, абразия и корозия.
Електролитният никел се използва широко в случаи, когато устойчивостта на корозия е по-важна от твърдостта. Той се нанася с чисто химически процес.

В резултат се получава материал с добра устойчивост на корозия и равномерна дебелина, който е гладък и почти не изисква вторични операции,като шлайфане. Защитниците на електролитния никел казват, че при термична обработка това покритие може да достигне нива на твърдост, почти еднакви с тези на хромовото покритие, но за сметка на устойчивостта на корозия.

В сравнение с другите покрития, здравината на връзката на покритието от електролитен никел със субстрата не е толкова добра, колкото при материалите, нанесени чрез заваръчни процеси. Това покритие не е подходящо за експлоатация в екстремни условия. То е подходящо за арматура, работеща при ниски налягания, може би от 136 до 272 кг, но рядко за по-високи или екстремни налягания.

Никелово-боровото покритие се полага чрез електродъгова метализация или по плазмен метод. То е подходящо за среди с висока температура и налягане, при абразивни среди и сухи газове. Устойчиво е на повреди в резултат на ерозия, кавитация и термични въздействия и е идеално за паропроводи, газификация на въглища и пренос на катализатори.

Азотирането променя обработваната повърхност, но не и размерите на обработвания детайл. Това покритие може да постигне нива на твърдост до Rc 70 в зависимост от субстрата. То може да бъде нанесено по йонен или газов метод, или чрез процес на високотемпературна солна баня. Предимствата му са, че изисква много малко (или почти не изисква) вторична обработка, макар че при приложение спрямо арматура, работеща във високотемпературна среда, може да се наложи вторична обработка заради температурните деформации.

Политетрафлуоретиленът и други флуорополимерни покрития гарантират добра устойчивост на корозия при малко производствени разходи, но не са устойчиви на абразивни среди и екстремни температури. Това винаги е възможно най-евтиното решение за покрития за корозивни среди. Флуоровъглеродни частици могат да се добавят и към други покрития, в това число електролитния никел, за да се подобри хлъзгавината му. Политетрафлуоретиленът се използва много за седла на сферични спирателни кранове.

Танталът е силно устойчив на корозия, но се счита за скъп. Предлагат се процеси на нанасяне на танталово покритие чрез отлагане на пари, при които се създава тънък 0,0508-милиметров слой от сплавено танталово покритие. Но всеки опит за полагане на тантал чрез електродъгова метализация като защита срещу корозия върху по-малко ценен метал е обречен на провал, тъй като това покритие притежава известна порьозност.

Волфрамовият карбид създава повърхност, устойчива на износване и ерозия, с твърдост Rc 70. В най-общия случай това покритие се нанася чрез метализация. Има данни за напукване на подобни покрития при циклични промени на температурата на работната среда. Макар че повечето покрития от волфрамов карбид са на базата на кобалт, някои производители прилагат такива покрития с помощта на нискотемпературен процес, който елиминира кобалтовия свързващ слой, използван традиционно при покритието от изпечен или напръскан волфрамов карбид.

Волфрам-хромовият карбид също придава твърдост Rc 70 и обикновено се нанася чрез електродъгова метализация. Това покритие се използва за арматура, работеща с корозивни течности при умерени температури, но трябва да се прилага само с влажни среди.

Механизми за износване
Твърдостта не е единственият критерий за избор на защитно покритие, тъй като има много механизми за намаляване на защитните качества на повърхността. Разбирането на тези механизми – ерозия, приплъзване, абразивно и адхезивно износване, и корозия – е от ключово значение за избор на подходящо покритие според конкретните условия.

Ерозионното износване се случва, когато твърди частици въздействат на повърхността, създавайки миниатюрни пластични деформации или образуване на пукнатини, и евентуално отнемайки материал от повърхността. Степента на ерозия и изборът на защитното покритие зависят от ъгъла на въздействие на абразивните частици, от вида и размерите им, и от температурата и химическия състав на работната среда.

Износването в резултат на приплъзване се случва, когато две повърхности в контакт се движат една спрямо друга с различни скорости. Факторите, които влияят върху степента на износване и типа на необходимото покритие, включват: приложеното механично натоварване, химическия състав на работната среда, температурата, смазването, скоростта на повърхностите и състава на повърхностите в контакт.

В миналото широко се е използвало твърдо хромово покритие или такова с електролитен хром, но напоследък те често се заместват от покрития с HVOF металокерамика.

Има случаи, когато карбидните покрития не са оптимални – например когато повърхностите са силно неравни и шлифоването им е забранено. Всички покрития, нанесени с електродъгова метализация, са с повърхности в състояние, в което са останали след напръскването и изпичането; HVOF покритията обикновено изискват шлайфане с диамант за постигане на работна гладкост.

Износването в резултат на абразия, което е предмет на особена загриженост при телата и седлата на спирателните кранове, се случва, когато частици попаднат между две движещи се повърхности. Тогава частиците могат да бъдат заклещени между повърхностите или да останат закачени за тях. Също като износването вследствие на приплъзване, абразивното зависи от вида и размерите на частиците, механичното натоварване, скоростта на движение на повърхностите, температурата и корозивните елементи. Твърдостта на повърхностите обикновено подобрява устойчивостта на абразия, но издръжливостта също трябва да се има предвид.

В случаи на високи механични натоварвания или удари се счита, че металокерамичните HVOF покрития или разтопените прахови покрития създават металургична връзка със субстрата. За по-малко екстремни условия могат да се прилагат карбидните покрития, нанесени по методите с плазма или HVOF. Покритията от волфрамов карбид се използват при температури до 482°C, а покритията от хромов карбид – до 870°C. Обикновено покритията от волфрамов карбид-кобалт-хром (WC-CoCr) са почти петкратно по-устойчиви на износване от тези от твърд хром.

Адхезивното износване и изтриването се случват при определени условия, когато има контакт между метални повърхности при екстремни температури и високи скорости на приплъзване. Точките на повърхностите, в които те са в контакт, се оказват заварени; при последващо приплъзване те се изтриват или напукват.

В резултат на износването се образуват частици, а грапавината на приплъзващите се повърхности нараства значително. Подобно на износването, корозията има много механизми и решения за покрития, които да защитават от повърхностите нея. Покритията, нанесени чрез електродъгова метализация, осигуряват по-голяма устойчивост на износване, абразия, ерозия и окисляване или сулфидиране в среди с горещи газове.

Много покрития на никелова основа могат да устоят на температури, достигащи 1000 °C. Карбидните покрития могат да издържат на 870 °C и в най-общия случай имат порьозност 3%. При солени води и други корозивни водни среди, топлинно обработените покрития или уплътнители намаляват порьозността до 1% максимална защита на субстрата.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top