Parker Poland

Procesy metalurgiczne - udział w produkcji, ale i pękaniu złączek rurowych

Procesy metalurgiczne - udział w produkcji, ale i pękaniu złączek rurowych

Przez ponad czterdzieści lat firma Parker rozwijała proces hartowania chemicznego idealny dla tulei przeznaczonych do mocowania i uszczelniania rur ze stali nierdzewnej. Proces ten nazywa się Suparcase. W tym artykule omówiono znaczenie metalurgii i sposób wykorzystania Suparcase przez firmę Parker. Najlepsze złączki zaciskowe zapewniają w równym stopniu twardość, wytrzymałość i odporność na korozję. Proces hartowania tulei Suparcase firmy Parker nie wymaga wysokich temperatur i długiego czasu, jak w przypadku tradycyjnych procedur hartowania, które z kolei obniżają odporność stali nierdzewnej na korozję.

Złączki zaciskowe do rur ze stali nierdzewnej ułatwiają montaż i konserwację przyrządów pomiarowych i sterujących stosowanych w zakładach chemicznych, petrochemicznych i wielu innych jednostkach produkcji przemysłowej. Uszczelniają one wiele różnych agresywnych płynów i chemikaliów oraz są odporne na wewnętrzną i zewnętrzną korozję. Złączki chwytają i uszczelniają, ściskając końcówkę tulei wokół zewnętrznej średnicy rury. Wysokiej jakości złączki zaciskowe utrzymują wewnętrzny nacisk bez przecieków czy uszkodzeń aż do pęknięcia rury. Użytkownicy mogą je wielokrotnie demontować i ponownie montować bez utraty szczelności. 

Procesy metalurgiczne - udział w produkcji, ale i pękaniu złączek rurowych, Działanie złączki zaciskowej, Instrumentation Division

Obecnie złączki zaciskowe są dostępne u wielu dostawców technologii hydraulicznych i wyglądają tak samo, choć mogą nieznacznie różnić się szczegółami projektowymi i elementami procesów produkcyjnych — jednakże wygląd może mylić.

Tuleja, która jest być może najbardziej krytycznym elementem złączek zaciskowych, sprawia wrażenie nieskomplikowanej. Jest ona jednak wysoce zaawansowana technologicznie, a jej prawidłowe funkcjonowanie wymaga dużego doświadczenia w zakresie projektowania, metalurgii i produkcji. Nie wszystkie dostępne na rynku produkty spełniają te surowe wymagania. Tuleja musi przykładowo zachowywać wysoką precyzję podczas odkształceń elastycznych i plastycznych na etapie montażu, aby prawidłowo chwycić i uszczelnić rurę. Jej przednia krawędź musi być twardsza niż rura, aby chwytać i uszczelniać mimo zarysowań i uszkodzeń powierzchni. Jeśli jednak cała tuleja jest zbyt twarda, może nie odkształcać się prawidłowo. Z tego powodu tylko jej chwytająca krawędź jest utwardzana, a pozostała część ma inne, ściśle kontrolowane właściwości mechaniczne. Ponadto proces hartowania nie może ograniczać odporności stali nierdzewnej na korozję. I na koniec — rezultatem procesu produkcji muszą być jednakowe, pozbawione defektów tuleje, które zachowują ścisłe tolerancje i specyfikacje metalurgiczne.

Ewolucja konstrukcji - jedna, by rządzić wszystkimi

Niniejszy artykuł poświęcony jest  jednopierścieniowym złączkom zaciskowym, ale wiele wymienionych zasad dotyczy również dwupierścieniowych złączek zaciskowych. Tuleje były początkowo wykonywane z ciągnionych na zimno prętów ze stali nierdzewnej. Naprężenia podczas ciągnienia na zimno powodują utwardzenie metalu i nadają wytrzymałość mechaniczną całej tulei. Przednia krawędź tulei często nie była jednak wystarczająco twarda, aby mogła szczelnie przylegać do powierzchni rur z wadami, takimi jak zadrapania, spoiny, odchyłki okrągłości i twardości.

Jednym z rozwiązań było powlekanie tulei miękkim metalem (np. srebrem) w celu lepszego uszczelnienia w przypadku gazu pod wysokim ciśnieniem. Zwiększało to odporność na ciśnienia impulsowe, wahania temperatury i drgania. Wiele uszczelnień bardzo wysokiej próżni i wysokiego ciśnienia odkształca twardymi krawędziami uszczelki z miękkiego metalu. Odkształcenie miękkiego elementu przez twardy zapewnia ścisłe przyleganie metalu do metalu na całej powierzchni styku i przezwycięża nieregularności powierzchni (dobrym źródłem szczegółowych informacji jest opracowanie Industrial Sealing Technology, H. Hugo Buchter, John Wiley and Sons, 1979). Producenci zastosowali tę koncepcję do złączek rurowych przez nawęglanie tulei, które znacznie zwiększa twardość powierzchni oraz pozwala im odkształcać wady powierzchniowe i kompensować odchylenia wymiarowe rur.

Konwencjonalne azotowanie gazowe powoduje utwardzenie powierzchni wewnętrznej do głębokości około 0,1 mm. Podczas montażu przednia krawędź tulei wcina się w rurę. Po rozmontowaniu tuleja pozostaje szczelnie osadzona na rurze, co umożliwia przeróbki z zachowaniem integralności uszczelnienia. Tuleja jest odporna na ciśnienia wewnętrzne, ciśnienia impulsowe, zmiany temperatury i drgania aż do pęknięcia rury lub uszkodzenia zmęczeniowego. Jednakże azotowanie gazowe (a także nawęglanie i węgloazotowanie) znacząco obniża odporność stali nierdzewnej na korozję. Udoskonalenia procesu pozwoliły producentom utwardzać tylko powierzchnię w odległości około 1,3 mm od końcówki tulei — czasami określanej jako tuleja „azotowana częściowo”. Zmniejsza to prawdopodobieństwo wystąpienia korozji, ponieważ azotowany fragment jest zagłębiony w powierzchni rury. Nadal może jednak stwarzać ryzyko korozji, jeśli, ze względu na niewłaściwe wykończenie lub wady powierzchniowe, środki chemiczne mają kontakt z tym fragmentem. Również zdemontowane złączki przechowywane w środowiskach korozyjnych, takich jak powietrze ze słoną mgłą, czasami rdzewieją w miejscu azotowania.

Nawęglanie

Procesy metalurgiczne - udział w produkcji, ale i pękaniu złączek rurowych, Procesy hartowania, Instrumentation Products DivisionKonwencjonalne azotowanie i nawęglanie wymaga wysokiej temperatury substancji utwardzających, azotu i węgla, aby mogły przeniknąć pasywną warstwę tlenków, dzięki którym stal nierdzewna jest odporna na korozję. Wysokie temperatury powodują, że chrom, antykorozyjny pierwiastek stopowy, ulega dyfuzji w metalu oraz tworzy stabilne chemicznie azotki i węgliki. Te związki nadają warstwie powierzchniowej większość jej twardości, ale w tej chemicznie połączonej postaci chrom nie jest już odporny na korozję i warstwa azotowana lub nawęglana koroduje w wielu środowiskach, w tym w wodzie morskiej, a nawet w wilgotnym powietrzu.

Ponadto azotowanie i nawęglanie może „uwrażliwić” austenityczną stal nierdzewną narażoną na wysokie temperatury przez dłuższy czas. Węgiel, który ma niską rozpuszczalność w stali nierdzewnej, wytrąca się w postaci węglików chromu w obrębie ziaren, zubażając regiony sąsiadujące z granicami ziarna z chromu koniecznego dla odporności na korozję. Proces ten jest znany jako uwrażliwianie.

Nowy proces utwardzania, który został wprowadzony przez firmę Parker Hannifin w latach 80. ubiegłego wieku, nie zmniejsza odporności stali nierdzewnej na korozję. Niedawno kilku innych producentów złączek wprowadziło procesy utwardzania tulei charakteryzujące się podobnymi zaletami.

Te nowe procesy nie wymagają wysokich temperatur i długiej ekspozycji, które umożliwiają dyfuzję chromu. Pozwala to utrzymać chrom w roztworze stałym jako składnik stopowy zapewniający odporność na korozję. Utwardzona warstwa jest ciągła oraz wolna od wad i ubytków, ponieważ w tym procesie dochodzi do wprowadzenia wtrąceń powierzchniowych i znaczącego ograniczenia korozji międzykrystalicznej.

Nowe procesy nie wpływają też na bryły metalu. Nie dochodzi do uwrażliwienia ani zmiany wytrzymałości mechanicznej pod utwardzoną warstwą. Warstwa plastyczna w tulei odkształca się podczas montażu, bez pękania czy wykruszania.

W tych procesach węgiel przesyca utwardzaną warstwę. Atomy węgla zajmują przestrzenie międzywęzłowe w sieci krystalicznej austenitycznej stali nierdzewnej o układzie regularnym, wzmacniając utwardzaną warstwę. Twarda struktura krystaliczna ma tendencję do rozszerzania się
z powodu dyfuzji atomów węgla, ale jest ograniczana przez nieutwardzony substrat. W rezultacie wysokie naprężenie ściskające jeszcze bardziej zwiększa twardość. Naprężenie ściskające zapewnia dodatkowe korzyści — znacznie zwiększa wytrzymałość zmęczeniową i odporność na korozję tulei.

Ogólnie mówiąc, proces powoduje usunięcie pasywnej warstwy tlenków z powierzchni stali, umożliwiając atomom węgla dyfuzję bezpośrednio do sieci krystalicznej metalu bez przechodzenia przez barierę warstwy pasywnej. Atomy węgla ulegają dyfuzji w niższych temperaturach niż inne pierwiastki stopowe, co pozwala uniknąć problemów powodowanych przez powstawanie węglików i azotków.

Działanie mechaniczne

Równowaga właściwości metalurgicznych ma krytyczne znaczenie dla działania mechanicznego tulei podczas montażu złączki. Na przykład jednopierścieniowa złączka CPI firmy Parker Hannifin wcina się w rurę, a korpus obejmuje i zaciska rurę na krawędzi tylnej. Zacisk krawędzi przedniej zapobiega rozerwaniu pod ciśnieniem.

Tuleja musi również działać dobrze w całym zakresie tolerancji średnicy rury, zazwyczaj ±0,13 mm i radzić sobie z wadami powierzchniowymi, takimi jak zadrapania, które mogą mieć głębokość dziesiątych części milimetra. Siły wyginające zmieniają tuleję w coś w rodzaju sprężyny, pozwalając utrzymać docisk do rury i prawidłowy kąt osadzenia oraz zapewniając uszczelnienie pomimo drgań, wstrząsów mechanicznych i rozszerzalności cieplnej. Tylna część tulei również luźno zaciska rurę, tłumiąc drgania, które w przeciwnym razie byłyby przenoszone na powierzchnię uszczelnienia.

Właściwości mechaniczne, takie jak granica sprężystości i twardość, muszą być dokładnie kontrolowane w celu zapewnienia takiego działania. Bardzo twarda tuleja będzie zbyt sztywna podczas montażu — nie będzie się uginać i nie zaciśnie prawidłowo rury. Z kolei zbyt miękka spowoduje, że leżący poniżej materiał nie będzie wspierać powierzchni utwardzonej przez nawęglanie. Wynikiem będzie efekt skorupki jajka: zaciskająca przednia krawędź zostanie zgnieciona podczas montażu i nie będzie mogła utrzymać rury pod ciśnieniem. Zmniejszy to także docisk sprężynujący.

Jedynym sposobem zwiększenia twardości i wytrzymałości austenitycznej stali nierdzewnej typu
316 po wyżarzaniu jest obróbka plastyczna na zimno. Współczynniki umocnienia przez zgniot zależą od składu stali, a zawartość procentowa składników może różnić się w dopuszczalnym zakresie. Obróbka plastyczna na zimno może również zmniejszyć odporność na korozję. W związku z tym producenci muszą precyzyjnie kontrolować skład w celu utrzymania stałych właściwości mechanicznych i struktury austenitycznej, a nawęglanie nie może ich zmieniać w niekontrolowany sposób.

Smarowanie

Części ze stali nierdzewnej, które trą o siebie przy dużym nacisku, mają silną tendencję do zacierania się na zimno i zakleszczania. W celu utworzenia mocnych, szczelnych połączeń rurowych tuleje powinny przesuwać się podczas montażu tylko do przodu i nie obracać się razem z nakrętką. Aby zapobiec zakleszczeniu i zapewnić tylko ruch liniowy tulei, montażyści muszą dokładnie kontrolować warunki powierzchniowe oraz smarowanie powierzchni styku nakrętka/tuleja i nakrętka/korpus.

Wszystkie powierzchnie współpracujące muszą być gładkie i wolne od wad, które zwiększają ryzyko zakleszczenia. Zalecanym smarem do wielu złączek zaciskowych jest smar z dwusiarczkiem molibdenu. Smar stały z dwusiarczkiem molibdenu łatwo przylega do powierzchni, jest znany
z właściwości smarujących i zapobiegających zakleszczeniu oraz nie jest wyciskany tak łatwo jak ciekłe lub miękkie, parafinowe środki smarujące w warunkach bardzo silnego docisku. Wynikiem jest niski moment obrotowy podczas montażu i stałe parametry, nawet w przypadku powtarzających się przeróbek.

 

Procesy metalurgiczne - udział w produkcji, ale i pękaniu złączek rurowych, Jim Breeze, Instrumentation Products DivisionArtykuł przygotował Jim Breeze, product manager, Instrumentation Connections and Process Valves, Instrumentation Products Division Europe. 

 

 

 

 

 

 

Powiązane wpisy:

Choosing the Right Connector, Tubing and Accessories for Your Application - Part 1

Medium Pressure Safety - All Tubing is Not Created Equal

Counting the Cost of Cutting Corners in the Oil and Gas Industry

Mixing Materials in Corrosive Environments

 

Kategorie
Ostatnie wpisy wg autora

Jak wybrać wąż niskociśnieniowy wykonany w systemie Push-on/Push Lok?

Decyzja dotycząca zastosowania węża niskociśnieniowego często oznacza wybór pomiędzy gumą a tworzywem termoplastycznym. Każdy z tych materiałów posiada inne zalety, ale wybór węża hybrydowego może...

Jak prawidłowo montować rury i złączki - za pierwszym i każdym kolejnym razem

Jim Breeze, menedżer produktu z działu złączek Instrumentation i zaworów procesowych w firmie Parker Hannifin, pokazuje, jak sprytne i niedrogie innowacje mogą zapobiec wyciekom i awariom...

Dziewięć powodów, by rozważyć wytwarzanie azotu "in house" - bezpośrednio w zakładzie

Większość azotu i tlenu wytwarzanego do celów przemysłowych na świecie produkowana jest w wyniku separacji kriogenicznej na dużą skalę w jednostkach rozdziału powietrza (ASU). Produkt wytwarzany przez...
Uwagi

Masz pytanie dotyczące produktów lub usług firmy Parker?
Możemy pomóc: Skontaktuj się z nami!

Note to Procesy metalurgiczne - udział w produkcji, ale i pękaniu złączek rurowych


Uwaga: Aby przeciwdziałać spamowi, komentarze z hiperłączami nie zostaną opublikowane

Dodaj komentarz





Captcha