ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Машиностроение и машиноведение
Технология и оборудование механической и физико-технической обработки
Качалин Г.В., кандидат технических наук, старший научный сотрудник Рыженков В.А., доктор технических наук, профессор
Медников А.Ф., кандидат технических наук, старший научный сотрудник
(Национальный исследовательский университет «МЭИ»)
ИННОВАЦИОННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТЯХ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ
В работе представлено описание технологического комплекса для формирования ионно-плазменных покрытий на крупногабаритных элементах задвижек шиберных большого диаметра. Подобные технологические комплексы предлагается использовать в качестве готовых инновационных решений по замене экологически опасных технологий получения покрытий на высоконагружен-ных изделиях.
Ключевые слова: магистральный нефтепровод, запорная арматура, шибер, защита, ионно-плазменные технологии, нанокомпозитные покрытия.
INNOVATIVE TECHNOLOGY SYSTEM FOR FORMING ION-PLASMA MULTI-FUNCTIONAL
COATINGS ON LARGE VALVES SURFACES
This paper describes the technology system for the formation of the complex ion-plasma coatings on large slide valve elements of large diameter. Such technological complexes proposed as ready decision ^ for innovation to replace environmentally hazardous technologies of heavy-duty products coatings.
Keywords: oil pipelines, fittings, gate, slide valve, protection, ion-plasma technologies, nanocomposite coatings.
ВВЕДЕНИЕ
Структурные сдвиги в мировой экономике в последние десятилетия обусловлены во многом повышением экономической роли инноваций. В настоящее время в нашей стране реализуется национальная программа перехода от сырьевой к инновационной модели экономического роста, которая начала давать первые результаты [1]. Отдельные предприятия научились зарабатывать на инновациях, развивают опытно-промышленное производство, активно используют инновационную инфраструктуру. Однако таких предприятий пока немного, и эффект от их инновационной деятельности в масштабах страны почти незаметен, а перевод национальной экономики на более эффективную модель наталкивается на серьезные препятствия и ограничения: слабую проработанность завершающих этапов исследовательских проектов, некорректную оценку инновационных перспектив, недостаточную технологическую
проработку предлагаемых технических решений, а также практически отсутствующие механизмы стимулирования инновационной активности бизнеса.
Для того чтобы противостоять конкуренции на внешних, и все более открытом внутреннем рынке, российской промышленности необходимо наращивать стратегические инвестиции, осваивать прорывные направления, усиливать свой исследовательский потенциал, а российским ученым необходимо предлагать бизнесу не «полуфабрикаты», а готовые к внедрению, апробированные технологические решения.
Настоящая работа, на примере разработки оборудования для упрочнения крупногабаритных элементов арматуры, посвящена опыту Национального исследовательского университета «МЭИ» по созданию инновационных технологических комплексов для решения задач повышения ресурса и надёжности высоконагруженных элементов оборудования топливно-энергетического комплекса.
Немалую роль в выборе проблематики работы сыграли события весны-лета 2011 года, связанные с поставкой некачественной арматуры для ОАО «АК «Транснефть» для строительства стратегических магистральных нефтепроводов «Пурпе-Самотлор» и «ВСТО-11» [2-3]. Коллектив Научного Центра «Износостойкость» МЭИ принимал непосредственное участие в определении характеристик покрытий поставленной арматуры, что позволило авторам хорошо ознакомиться с актуальными вопросами эксплуатации и производства покрытий для запорной арматуры магистральных нефтепроводов и, основываясь на большом опыте [4-8], предложить в качестве инновационного решения готовый к внедрению технологический комплекс для формирования многофункциональных защитных покрытий.
1. Назначение и структура технологического комплекса
Технологический комплекс (ТК) предназначен для формирования защитных многофункциональных покрытий на функциональных поверхностях крупногабаритных элементов арматуры топливно-энергетического комплекса. С помощью оборудования ТК обеспечивается выполнение входного/выходного контроля состояния металла изделий, формирование покрытий, контроль характеристик покрытий (толщина, микротвердость, шероховатость).
Формирование покрытий в ТК реализуется с помощью современных вакуумных ионно-плазменных технологий, которые в последние годы находят все более широкое применение в различных областях промышленности: машиностроении, судостроении, авиации, металлургии, электронике, энергетике, нефтяной и газовой отрасли, и это далеко не полный список областей их использования.
Отличительной особенностью ионно-плазменных технологий является не только их универсальность в отношении применимости к любым конструкционным материалам изделий и практически неограниченному составу получаемых покрытий, но и их полная экологическая безопасность.
Экологический аспект применяемых технологий необходимо отметить отдельно. Сегодня в арматуростроении применяют достаточно широкий спектр упрочняющих технологий: плазменное напыление, химико-термическую обработку, электролитические и химические покрытия, лазерную обработку, ионно-плазменные технологии, изостатическое прессование и др. Для крупногабаритных же элементов арматуры (БК > 300) спектр применяемых технологий сильно ограничен. Так в частности, отечественные производители крупногабаритной арматуры используют гальваническое хромирование, зарубежные - химическое никелирование, реализуемые при этом процессы представляют большую опасность для здоровья людей и окружающей среды. Например, крупный арматуростроительный завод в процессе гальванического хромирования за год производит до 300^400 м высокотоксичных отходов, которые «утилизируются» посредством захоронения на специальных полигонах, что связано со значительными дополнительными расходами.
Современным технологическим подходом к синтезу ионно-плазменных покрытий, применяемым в качестве альтернативы получения одно- и многослойных покрытий, стало формирование покрытий со структурой нанокомпозитов [9], у которых характерный размер структурной составляющей в одном из направлений лежит в нанометровом диапазоне. Такого рода нанокомпозитные покрытия характеризуются следующими преимуществами:
• сочетанием сверхвысокой твердости (>40 ГПа) с высокой вязкостью и низкой величиной внутренних напряжений;
• высокой стойкостью к пластической деформации при низком значении модуля упругости;
• высокими антифрикционными свойствами;
• высокой износостойкость и защитой от коррозии.
Интересным с практической точки зрения свойством наноструктур [10-12], помимо более высокой твердости, по сравнению с монолитным материалом является принципиально другой характер их разрушения в процессе износа, когда покрытие подвергается сильному сдвиговому воздействию, как например, в узлах трения. Отдельные зерна и столбцы монолитных покрытий испытывают значительные пластические деформации, что вызывает их механические повреждения. Наблюдаемая глубина такого поврежденного слоя 50-75 нм. В случае наноструктур наблюдается скалывание и микроотслоение со средней глубиной скалывания в 68 нм.
С учетом условий эксплуатации крупногабаритной арматуры и конструкционных материалов, применяемых для ее изготовления, идеологически защитное покрытие для крупногабаритных элементов арматуры должно быть многофункциональным, и включать в себя: один или несколько коррозионно-стойких слоев материалов, износостойкие слои и антифрикционный верхний слой (слои). Общая толщина всей композиции, с учетом существующих требований и в зависимости от условий эксплуатации изделий, может варьироваться от 15 до 30 (50) мкм, рисунок 1.
Для выполнения указанных выше технологических операций и синтеза многофункциональных защитных покрытий, технологический комплекс включает в себя специализированное вакуумное оборудование, сервисное оборудование, измерительно-диагностическое оборудование и приборы для контроля характеристик материалов и покрытий, рисунок 2.
Сервисное оборудование предназначено для обеспечения функционирования работы вакуумного оборудования и включает систему оборотного водоснабжения, магистрали сжатого воздуха, оборудование для вневакуумной подготовки рабочих поверхностей изделий, грузоподъемные механизмы и др. В целом состав сервисного оборудования сильно зависит от конкретных условий размещения ТК, подготовленности производственной площадки, а также стоимости энергоносителей. В частности, при создании технологического комплекса для обработки крупногабаритных элементов арматуры, авторам потребовалось оснастить ТК сервисным оборудованием в полном объеме, начиная от грузоподъемных механизмов, и заканчивая системой оборотного водоснабжения холодопроизводительностью до 300 кВт.
15!.С. Mi С MeSiC. ncCrC. DICirC 1! Ангифирикционный СЛОЙ
псТй и Ti rv Sfi ncIiCN. iicTlN iic'fiN.TrN и др jllfilljl 'NbN' Износостойкий слой К орр озионно-стойкнй слой
licTi ;;;;;;;;;; ----------- V. ncTiCN. ncTiN ncTiN/CrN it др с высокой адгезией Износостойкий слой
Ti Cr Ittttt ::: Nb ncTi/Cr ncFL с ВЫСОКОЙ адгезией
MоД11фшiг[рованныft елоft
Подложка
Рис. 1. Идеология создания многофункционального защитного покрытия для крупногабаритных элементов арматуры
Рис. 2. Упрощенная структура технологического комплекса для формирования ионно-плазменных многофункциональных покрытий
Измерительно-диагностическое оборудование и приборы ТК должны, в первую очередь, обеспечивать определение характеристик покрытий согласно требованиям рабочих чертежей. Для покрытий крупногабаритных элементов арматуры на практике, как правило, производится контроль таких характеристик как толщина, микротвердость, шероховатость, а также твердость основного металла до и после технологического цикла. Поэтому типовой состав измерительно-диагностического об
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.