Материал — определяющий фактор качества фитингов КИП.

Более сорока лет компания Parker занимает лидирующие позиции в разработке процессов химического упрочнения обжимных колец, обеспечивающих герметичное уплотнение, вибрационную устойчивость и обхват трубки. Технологический процесс называется Suparcase.В данной статье говорится о важности применяемых материалов и технологии Suparcase, разработанной компанией Parker. Качественные трубные обжимные фитинги обладают высокой прочностью, жёсткостью и повышенной коррозионной стойкостью. Для технологии упрочнения обжимных колец Suparcase компании Parker не требуются высокие температуры или много времени, как для более традиционных процедур закаливания, которые, в свою очередь, понижают коррозионную стойкость нержавеющей стали

Использование трубных обжимных фитингов из нержавеющей стали упрощает монтаж и обслуживание контрольно-измерительных приборов, используемых в химической, нефтехимической и многих других промышленностях. Они создают герметичное уплотнение для широкого спектра агрессивных жидкостей и химических веществ, а также обеспечивают коррозионную защиту, как снаружи, так и изнутри. Уплотнение и обхват происходит за счет компрессионного сжатия передней части обжимного кольца вокруг наружной поверхности трубки. В случае превышения расчётного давления произойдёт разрыв трубки, а высококачественные обжимные фитинги не будут повреждены и не дадут течь. Заказчики могут многократно разбирать и снова собирать их без потери целостности уплотнения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В настоящее время обжимные трубные фитинги можно приобрести у многих поставщиков гидравлических систем. Почти все фитинги выглядят одинаково, однако могут отличаться в деталях конструктивного исполнения и технологии изготовления. Внешний вид обманчив.

Обжимное кольцо — пожалуй, наиболее важный компонент обжимных трубных фитингов — на первый взгляд оно кажется довольно простым элементом. Но на самом деле в нем заложены сложные технические разработки, и для его правильной работы требуется большой опыт в конструировании, обработке металлов и технологии производства. Не все предлагаемые на рынке продукты отвечают этим строгим требованиям. Так, для обеспечения правильного уплотнения и обхвата трубки во время сборки фитинга обжимное кольцо должно деформироваться определенным эластичным и пластичным образом. Жесткость его переднего края должна быть больше жесткости трубки для обхвата и создания герметичного уплотнения даже при наличии царапин и дефектов поверхности трубки. Однако, если вся поверхность обжимного кольца будет слишком жесткой, деформация может происходить неправильным образом. Поэтому упрочнению подвергается только передний край обжимного кольца, при этом остальная его часть имеет четкие, строго контролируемые механические свойства. Кроме того, процесс упрочнения не должен приводить к снижению коррозионной стойкости нержавеющей стали. И наконец, технология производства должна обеспечивать непрерывное изготовление обжимных колец без дефектов, соответствующих строгим допускам и техническим условиям на материалы.

 

Эволюция конструкции — одно обжимное кольцо

В данной статье рассматриваются обжимные трубные фитинги с одним обжимным кольцом, многие из перечисленных ниже принципов также применяются к обжимным фитингам с двумя обжимными кольцами. Изначально обжимные кольца изготавливались из холоднотянутого прутка из нержавеющей стали. Деформация при холодном растяжении упрочняет материал и придает механическую прочность всему кольцу. Но передняя кромка обжимного кольца при таком методе зачастую все равно не имеет требуемой жесткости для обеспечения герметичного уплотнения трубки при наличии дефектов поверхности, таких как царапины, сварные швы, овальность и жесткость.

Одним из решений является покрытие обжимного кольца слоем мягкого металла (например, серебра) для улучшения герметичности уплотнения при работе с газом под высоким давлением. Это повышает устойчивость к пульсациям давления, перепадам температуры и вибрации. В системах с глубоким вакуумом или высоким давлением упрочненный край кольца плотно обхватывает более мягкий материал трубки. Небольшая деформация более мягкого материала под воздействием более прочного обеспечивает плотный контакт металла поверхности и нивелирует неровности. Для получения более подробной информации ознакомитесь с книгой Industrial Sealing Technology, H. Hugo Buchter, John Wiley and Sons, 1979.) Производители применили принцип упрочнения обжимных колец при производстве обжимных трубных фитингов, что существенно увеличило жесткость поверхности и позволяло добиться равномерного обхвата обжимного кольца сквозь дефекты поверхности трубки, а также компенсировать её неточности.

Традиционное азотирование стали упрочняет поверхность материала на глубину около 0,004 дюйма. Во время сборки передняя кромка обжимного кольца плотно обхватывает трубку. При разборке обжимное кольцо остается плотно посаженным в трубке, что позволяет выполнить повторную сборку с постоянной целостностью уплотнения. В случае превышения расчётного давления произойдёт разрыв трубки, а фитинги не будут повреждены и не дадут течь. Азотирование, а также цементация и цианирование значительно снижают коррозионную стойкость нержавеющей стали. Дальнейшее совершенствование технологии позволило производителям упрочнять материал на глубину до 0,050 дюйма. Иногда такие обжимные кольца называют «частично азотированными». Это уменьшает вероятность коррозии, так как азотированная полоса скрыта под поверхностью трубки. Однако риск коррозии при такой конструкции сохраняется, если в результате неправильной сборки или дефектов поверхности на полосу попадут химические вещества. Кроме того, азотированная полоса может заржаветь, если демонтированный фитинг хранятся в коррозионно-активной среде, например при повышенном содержании соли в воздухе.

 

Поверхностное упрочнение

Процессы азотирования и цементирования проводятся под воздействием высоких температур для того, чтобы упрочняющие составляющие — азот и углерод — проникли внутрь оксидной пленки, которая обеспечивает коррозионную стойкость нержавеющей стали. Воздействие высоких температур вызывает диффузию хрома — антикоррозионного легирующего элемента — по всему металлу, формируя химически стабильные нитриды и карбиды. Эти соединения придают верхнему слою твердость, но в этой химической форме хром больше не может сохранять коррозионную стойкость, а азотированные или цементированные слои подвержены коррозии во многих средах, включая морскую воду и даже влажный воздух.

Кроме того, азотирование и цементирование может сенсибилизировать аустенитные нержавеющие стали, находящиеся под действием высоких температур в течение длительного времени. Углерод, обладающий слабой растворимостью в нержавеющей стали, выпадает в виде карбидов хрома в границах зерна, забирая необходимый для коррозионной стойкости хром из областей, прилегающих к границам зерна. Такой процесс известен как повышение чувствительности.

Новая технология упрочнения материала, которая не влияет на коррозионную стойкость нержавеющей стали, была представлена компанией Parker Hannifin в конце 1980-х годов. Только недавно некоторые из производителей стали внедрять данную технологию у себя на производстве.

Процесс не требует поддержания высоких температур в течение длительного времени, как это требовалось для диффузии хрома. Это сохраняет хром в твердом растворе в качестве коррозионностойкого легирующего элемента. Упрочненный слой является сплошным, без дефектов и пустот, так как процесс имеет тенденцию заполнять поверхностные включения и существенно уменьшать коррозию на границе зерен.

Новый процесс не меняет объём металла. Под упрочненным слоем не происходит повышения чувствительности или изменения механической прочности. Пластичный слой деформируется под воздействием обжимного кольца во время сборки без образования трещин или скалывания.

В процессе углерод перенасыщает упрочненный слой. Атомы углерода занимают промежуточные участки в гранецентрированной кубической кристаллической решетке аустенитной нержавеющей стали, повышая прочность. Структура твердой кристаллической решетки склонна к расширению для размещения атомов углерода, но ограничена не упрочненным слоем. Как следствие, высокое напряжение сжатия дополнительно повышает твердость. Напряжение сжатия имеет дополнительные преимущества в виде существенного увеличения усталостной и коррозионной стойкости обжимного кольца.

Если описать вкратце, технология удаляет слой пассивных оксидов с поверхности стали, обеспечивая диффузию атомов углерода непосредственно в пространственной решетке металла без прохождения барьера пассивного слоя. Диффузия атомов углерода происходит при более низких температурах по сравнению с другими легирующими элементами, что предотвращает проблемы, вызванные образованием карбидов и нитридов.

 

Механическое воздействие

Сбалансированное сочетание свойств металла оказывает решающее влияние на механическое воздействие обжимного кольца во время сборки фитинга. Например, передняя кромка фитинга с одним обжимным кольцом CPI производства Parker Hannifin врезается в трубку, при этом корпус образовывает дугу и охватывает трубку на задней кромке. Захват передней кромки предотвращает срыв под давлением.

Обжимное кольцо должно одинаково хорошо работать во всем диапазоне допусков диаметра трубки, обычно ±0,005 дюйма. Кроме того, обжимное кольцо должно быть рассчитано на работу с дефектами поверхности, такими как царапины глубиной в несколько тысячных дюйма. Образовавшаяся дуга превращает обжимное кольцо в своего рода пружину, которая радиальным усилием создает надежный обхват трубки и правильный угол посадки для обеспечения герметичного уплотнения в условиях вибрации, механических ударных воздействий и теплового расширения. Задняя часть обжимного кольца свободно обхватывает трубку, демпфируя вибрации, которые в противном случае воздействовали бы на место уплотнения.

Для получения этого эффекта необходим строгий контроль механических свойств, таких как предел текучести и жесткость. Слишком твердое обжимное кольцо будет недостаточно гибким во время сборки и не сможет образовать дугу правильной формы для надлежащего обхвата трубки. Но если материал будет очень мягкий, упрочняющий слой не будет держаться на нем. В результате возникает эффект яичной скорлупы: передний край кольца разрушается во время сборки и не может удерживать трубку под давлением. Это также уменьшает пружинное действие дуги.

Однако степень упрочнения заготовки меняется с изменением состава стали, и процентное содержание легирующих элементов может меняться в пределах допустимого диапазона. Холодная обработка также может снижать коррозионное сопротивление. Таким образом, производители должны точно контролировать состав, чтобы поддерживать постоянные механические свойства и сохранять аустенитную структуру. Поверхностное упрочнение не должно изменять эти характеристики неконтролируемым образом.

 

Смазка

Детали из нержавеющей стали, которые трутся друг о друга под высоким давлением, имеют тенденцию к холодной сварке или закусыванию. Чтобы трубные фитинги обеспечивали высоконадежные герметичные соединения, обжимные кольца должны сдвигаться вперед только во время сборки и не вращаться с вращением гайки. Чтобы предотвратить закусывание и обеспечить линейное перемещение обжимного кольца, технические специалисты должны точно контролировать качество поверхности и применять смазку в местах контакта гайки с обжимным кольцом и гайки с корпусом.

Все сопряженные поверхности должны быть ровными и не иметь дефектов, усугубляющих закусывание. В качестве смазочного материала для многих компрессионных фитингов рекомендуется использовать покрытие из дисульфид-молибдена. Твердый дисульфид молибдена хорошо схватывается с поверхностью и известен своими смазочными и противозадирными свойствами. Твердая консистенция исключает выдавливание лубриканта, как это происходит в случае с жидкими или мягкими восковыми смазочными материалами под действием высокого давления. Результат — низкий крутящий момент при сборке и стабильная работа даже при многократных сборках и разборках.

 

Подробнее о решениях Parker для нефтегазовой промышленности:

 

 

Автор статьи — Джим Бриз, менеджер производственного направления арматура КИП, Instrumentation Products Division Europe. 

 

 

 

 

 

 

Связанные материалы

Подсчёт стоимости несоблюдения норм нефтегазовой промышленности

 

 

категории

• Process Control