Шаровой затвор шарового крана
При изготовлении шарового затвора 1 на его сферическую уплотнительную поверхность 3 напыляют, например, методом газотермического напыления, слой покрытия на основе карбидов вольфрама, хрома, титана, кремния на связке никелевых или кобальтовых сплавов, включающих никель-хром, кобальт-хром, никель-вольфрам, никель-титан, самофлюсующиеся сплавы, включающие никель-хром-бор-кремний, с включениями на границе зерен напыленного покрытия наночастиц, включающих окислы алюминия и/или титана, при этом содержание наноразмерных окислов лежит в пределах от 0,05 до 5 вес.%. Шаровой затвор в составе шарового крана может длительное время работать в условиях агрессивной среды при воздействии на него абразивных частиц различных размеров, поскольку защитный слой, нанесенный на сферическую уплотнительную поверхность 3 шарового затвора 1, наиболее взаимодействующую с агрессивной средой, замедляет процесс-разрушения поверхности на этих участках. Это происходит благодаря. составу напыляемого слоя, обладающего требуемым уровнем прочностных и коррозионных свойств, одновременно наноразмерные частицы, включающие окислы алюминия и/или титана, обеспечивают снижение коэффициента трения при открывании и закрывании шарового крана, что обеспечивает надежную его эксплуатацию, в том числе для кранов большого диаметра. Полезная модель позволяет повысить гарантированный ресурс эксплуатации шаровых кранов.
Полезная модель относится к шаровым затворам шаровых кранов, используемых в газовой, нефтяной, химической и других областях промышленности.
Известен шаровой затвор шарового крана, имеющий покрытие на сферической уплотнительной поверхности в виде слоистой структуры, у которой наружный защитный слой - слой оксида алюминия, а подслой - слой алюминия или алюминиевого сплава (Патент РФ 
2192574, F16К 5/06, 2002 г.).
Недостатком такого покрытия является то, что при воздействии на рабочую поверхность шарового затвора крупных абразивных частиц происходит повреждение и дальнейшее отслаивание покрытия, из-за возникающей на месте трещин и царапин подпленочной коррозии. Кроме того, отслоение покрытия возможно из-за ударных нагрузок на рабочую поверхность шарового затвора.
Известен шаровой затвор шарового крана, имеющий покрытие на сферической уплотнительной поверхности в виде напыленного слоя на основе легированной стали (Патент РФ 46065, F16К 5/06, 2005 г.).
Известен шаровой затвор шарового крана, имеющий покрытие на сферической уплотнительной поверхности на основе карбидов металлов (Патент РФ 46065, F16К 5/06, 2006 г.).
Недостатком таких покрытии является высокие коэффициенты трения легированной стали и карбида, что затрудняет работу приводов при открытии и закрытии шарового крана и делает невозможным применение данных покрытий для кранов проходным сечением более 500 мм из-за усилий, необходимых для открытия и закрытия.
Задачей заявленного решения является создание покрытия, обладающего высокой твердостью, коррозионной стойкостью и при этом низким коэффициентом трения, обеспечивающего надежную работу шаровых кранов, в том числе большого диаметра в условиях агрессивных сред.
Задача решается тем, что в шаровом затворе шарового крана, имеющем покрытие на сферической уплотнительной поверхности, это покрытие выполнено в виде напиленного методом газотермического напыления слоя на основе карбидов вольфрама, хрома, титана, кремния на связке никелевых или кобальтовых сплавов, включающих никель-хром, кобальт-хром, никель-вольфрам, никель-титан, самофлюсующиеся сплавы, включающие никель-хром-бор-кремний, с включениями на границе зерен напыленного покрытия наночастиц, включающих окислы алюминия и/или титана. Формирование данных частиц происходит при одновременном напылении карбидов на связке в виде порошка и подачей гелей, включающих гидроксиды алюминия и/или титана вместе с топливом. Общее количество наноразмерных окислов, включающих окислы алюминия и/или титана, составляет от 0,05 до 5 вес.%.. При нанесения карбидного покрытия с наночастицами окислов в количестве менее 0,05 вес.%. не наблюдается эффекта снижения коэффициента трения. При содержании наночастиц окислов в количестве более 5 вес.%. происходит снижение когезионных характеристик покрытия.
Выполнение покрытия в виде напыленного слоя, осуществляемого газотермическим методом напыления карбидов вольфрама, хрома, титана, кремния на связке никелевых или кобальтовых сплавов, включающих никель-хром, кобальт-хром, никель-вольфрам, никель-титан, самофлюсующиеся сплавы, включающие никель-хром-бор-кремний, с включениями на границе зерен напыленного покрытия наночастиц, включающих окислы алюминия и/или титана, обеспечивает необходимую износостойкость и коррозионную стойкость, а присутствие в покрытии наноразмерных окислов, включающих окислы алюминия и/или титана, обеспечивает низкий коэффициент трения (Таблица 1, Протокол испытаний от 01.10.2009). На чертеже показан продольный разрез шарового крана с шаровым затвором с нанесенным покрытием.
В таблице приведены сведения о ресурсе работы шарового крана, имеющего на своей поверхности покрытие из числа вышеприведенных, в следующих средах:
Среда 1: неагрессивный природный газ, содержащий жидкие углеводороды, этиленгликоль, метанол (СН 3ОН), турбинные масла, воду и механические примеси в следующем количестве: влага и конденсат - до 1200 мг/нм3; механические примеси до 10 м2/нм3 с размером частиц до, 1 мм, а также реагенты, вызывающие коррозию: сероводород - не более 20 мг/нм3, натрий + калий - не более 3 мг/нм3.
Среда 2: вода, глинистый раствор, цементный раствор, растворы кислот соляной, серной, муравьиной в концентрации до 20%, нефть.
| Таблица 1 | |||||
| Материал покрытия | Количество наноразмерных включений, вес.% | Твердость, HRC | Ресурс крана, кол-во циклов | ||
| Основа Включения | Среда 1 | Среда 2 | |||
| WC-CoCr | Аl2O3 | 0.5 | 70-72 | Не менее 4700 | Не менее 4000 |
| 1 | 68-71 | ||||
| 3 | 69-72 | ||||
| WC-CoCr | TiO2 | 0.5 | 69-72 | Не менее 450 | Не менее 4000 |
| Сr3С2-NiCr | Аl2O3 | 1 | 68-70 | ||
| СrзСз-NiCr | TiO 2 | 3 | 68-69 | ||
| 0.5 | 63-65 | Не менее 4500 | Не менее 2000 | ||
| 1 | 63-64 | ||||
| 3 | 61-64 | ||||
| 0.5 | 62-65 | Не менее 4000 | Не менее 2000 | ||
| 1 | 62-63 | ||||
| 3 |  |
Из таблицы видно, что при использовании в качестве материала связки в покрытии любого из представленных металлов или сплавов даже в условиях работы в особо агрессивных средах во много раз увеличивается ресурс работы шарового крана по сравнению с кранами, покрытыми, например, легированной сталью, ресурс которых составляет около 1000 циклов.
Полезная модель позволяет обеспечить надежную работу шаровых кранов, в том числе большого диаметра, в течение гарантированного ресурса.
Шаровой затвор шарового крана, имеющий покрытие на сферической уплотнительной поверхности, отличающийся тем, что покрытие выполнено в виде напиленного слоя на основе карбидов вольфрама, хрома, титана, кремния на связке никелевых или кобальтовых сплавов, включающих никель-хром, кобальт-хром, никель-вольфрам, никель-титан, самофлюсующиеся сплавы, включающие никель-хром-бор-кремний, с включениями наноразмерных окислов, включающие окислы алюминия и/или титана, на границе зерен напыленного покрытия, при этом содержание наноразмерных окислов лежит в пределах от 0,05 до 5 вес.%.
