Задвижка для трубопроводов и шпиндель для нее

 

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, а именно к задвижкам для перекрывания трубопроводов и регулирования расхода проходящих в них сред, в частности пара или воды, имеющих высокую температуру и давление. Задвижка для трубопроводов содержит корпус с крышкой, бугель, связанный с корпусом. Шпиндель выполнен с резьбовым участком в его верхней части и установлен с возможностью вертикального перемещения через бугель. Грундбукса размещена под планкой. Крышка выполнена с уплотнением. Шпиндель закреплен в нижней его части в обойме, связанной с тарелкой, взаимодействующей с седлом. Шпиндель выполнен из титанового сплава, поверхность которого имеет оксидную пленку, образующуюся в результате термического оксидирования шпинделя. При этом оксидная пленка создана по всей длине поверхности шпинделя до резьбового участка. Благодаря использованию в задвижке шпинделя из титанового сплава с оксидированной поверхностью, значительно уменьшается коррозия шпинделя и элементов задвижки, контактирующих с ним через рабочую среду, вследствие чего повышается надежность и срок службы шпинделя и задвижки. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, а именно к задвижкам для перекрывания трубопроводов и регулирования расхода проходящих в них сред, в частности пара или воды, имеющих высокую температуру и давление.

Хорошо известно, что одним из основных требований, предъявляемых к задвижкам, работающим в трубопроводах пара или воды при высокой температуре и давлении, является их коррозионная стойкость в данных средах.

При разработке и конструировании задвижек тщательно прорабатывают характеристики материалов, из которых изготавливаются детали задвижек и их поведение в конкретных рабочих средах.

Известно, что хорошей коррозионной стойкостью к среде, в которой присутствуют хотя бы следы влаги или воды, является титан и его сплавы (см. проспект фирмы "TIMET" Титановые трубы).

Однако известно, что титан (и его сплавы) со сталью, широко используемой в задвижках, являются электрохимической парой, разность электродных потенциалов между титановым сплавом и углеродистой сталью довольно велика, поэтому между ними может быть значительная контактная коррозия (см. кн. Томашов Н.Д., Альтовский Р.М. Коррозия и защита титана. -М.: Машгиз, 1963, с. 61).

В известной задвижке для трубопроводов (см. каталог Промышленная трубопроводная арматура. Часть II (книга 1), изд. ЦИНТИ Химнефтемаш, М., 1989, с. 17- 18), содержащей корпус с крышкой, стойку, уплотнительные кольца сальника и диск, этот недостаток устранен тем, что все основные детали: корпус, крышка и диск, контактирующие между собой через рабочую среду, выполнены из титанового сплава. Стойка выполнена из стали, уплотнительные кольца сальника - фторопласт. Однако данное устройство требует большого расхода титанового сплава, что неэкономично и неэффективно.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению является задвижка для трубопроводов и шпиндель для нее (см. кн. Имбридский М.И. Справочник по арматуре тепловых электростанций. -М.: Энергоиздат, 1981, с. 100-101).

Задвижка содержит корпус с крышкой, бугель, связанный с корпусом, шпиндель, имеющий в верхней его части резьбовой участок, сопрягаемый с узлом передвижения задвижки, при этом шпиндель установлен с возможностью вертикального перемещения через бугель, планку прижимную, грундбуксу, размещенную под планкой и крышку с уплотнительными кольцами, в нижней части шпиндель закреплен в обойме, связанной с тарелкой, взаимодействующей с седлом.

Корпус, шпиндель, обойму и тарелку выполняют из материалов, которые имеют более высокую коррозионную стойкость при работе в напряженных условиях, в частности в магистралях пара или воды при давлении до 40 мПа и температуре до 560^oC; таковым материалом является сталь.

Задвижка работает таким образом, что в случае ее открытия шпиндель перемещается вверх, скользит по внутренней поверхности уплотнения, прижатого через грундбуксу прижимной планкой, и поднимает таким образом тарелку, вследствие чего вода проходит сквозь корпус, заполняя его полость. В случае закрытия задвижки шпиндель скользит по внутренней поверхности уплотнения вниз до упора тарелки в седло.

Недостатком данной задвижки являются низкие эксплуатационные характеристики, в частности значительный коррозионный износ шпинделя, ограничивающий срок эксплуатации и снижающий надежность задвижки.

Это обусловлено следующими факторами: находясь в рабочей среде (пар или вода с высокой температурой и давлением), все элементы задвижки, контактирующие с этой средой, подвергаются коррозии (корпус, шпиндель, крышка, обойма). При коррозии шпинделя поверхность его разрушается, становится неровной и, перемещаясь вверх и вниз по поверхности уплотнения, он разрушает внутренний слой уплотнения, контактирующего с поверхностью шпинделя, в результате чего нарушается герметичность, рабочая среда, пар или вода, имеющая высокую температуру и давление, начинает просачиваться вверх, приводя к разрушению всего уплотнения, вследствие чего рабочая среда начинает контактировать с поверхностью крышки, что естественно приводит к коррозии крышки в этом месте.

Дополнительно, помимо указанного, на протекание процесса коррозии оказывает влияние электрохимическая пара (шпиндель - корпус и шпиндель - обойма). Общеизвестно, что для повышения прочности поверхности стального шпинделя применяют азотирование поверхности.

Рассмотрим протекающие процессы коррозии для пары стальной корпус и шпиндель из стали с азотированной поверхностью: а) контактная электрохимическая коррозия за счет разности электродных потенциалов поверхности стали и стали с азотированной поверхностью, т.к. азотированная поверхность имеет более положительное значение электропотенциала; б) локальная электрохимическая коррозия за счет неоднородности структурно-фазового состава как на поверхности, так и по глубине азотированного слоя шпинделя, вызывающая возникновение коррозионных микрогальванопар (мартенситные иглы, перлит, карбиды, карбонитриды сложного состава и основа сплава); в) высокотемпературная газовая коррозия за счет достаточно высокой восстановительной активности как основы состава, так и нитридов поверхности.

Таким образом, несмотря на кажущуюся близость материалов (шпиндель - корпус; шпиндель - обойма) по природе, действие вышеперечисленных факторов, даже незначительное, вызывает спонтанное совокупное растравливание поверхности материала шпинделя как наиболее интерофазной системы.

Наиболее близким к заявляемому шпинделю является шпиндель, используемый в задвижке (см. кн. Имбридский М.И. Справочник по арматуре тепловых электростанций. -М. : Энергоиздат, 1981, с. 100-101), представляющий собой вал с резьбовым участком, размещенным на одном из его концов. Материал шпинделя - сталь.

К недостатку шпинделя, используемого в задвижках на трубопроводах воды и пара при высоких температуре (до 560^oC) и давлении (до 40 мПа), относится его низкая коррозионная стойкость, ухудшающая надежность и срок службы задвижки.

Известно, что для повышения твердости поверхности стали осуществляют ее азотирование.

Однако даже азотированная поверхность шпинделя для задвижек, работающих в напряженных условиях, подвергается коррозии.

Это обусловлено тем, что, во-первых, сама среда (пар, вода) разъедает азотированную поверхность шпинделя, во-вторых, вследствие того что азотированная поверхность шпинделя из стали имеет более положительное значение электродного потенциала, чем у стали корпуса и обоймы, появляется дополнительная контактная, локальная электрохимическая коррозия и высокотемпературная газовая коррозия, что снижает срок эксплуатации шпинделя и, естественно, надежность данной задвижки.

Перед авторами стала задача разработать задвижку для трубопроводов и шпиндель для нее, работающие в трубопроводах пара или воды при высокой температуре и давлении, которые бы имели высокую надежность и повышенный срок службы за счет снижения коррозии шпинделя и элементов задвижки, контактирующих с ним через рабочую среду.

Эта задача решается тем, что в известной задвижке для трубопроводов, содержащей корпус с крышкой, бугель, связанный с корпусом, шпиндель, выполненный с резьбовым участком в его верхней части и установленный с возможностью вертикального перемещения через бугель, планку прижимную, грундбуксу, размещенную под планкой, и крышку с уплотнением и закрепленный в нижней его части в обойме, связанной с тарелкой, взаимодействующей с седлом, согласно изобретению шпиндель выполнен из титанового сплава, поверхность которого имеет оксидную пленку, образующуюся в результате термического оксидирования шпинделя.

При этом оксидная пленка создана по всей длине поверхности шпинделя до резьбового участка.

Отношение контактирующих между собой через рабочую среду (пар или вода) площади поверхности шпинделя к суммарной площади поверхностей корпуса и обоймы меньше или равно единице.

Эта задача согласно изобретению решается также тем, что шпиндель для задвижки трубопроводов, представляющий собой вал, имеющий на одном из его концов резьбовой участок, выполнен из титанового сплава, поверхность которого имеет оксидную пленку, образующуюся в результате термического оксидирования шпинделя.

Оксидная пленка создана по всей поверхности шпинделя до резьбового участка. Это обусловлено тем, что нанесение резьбы производится после процесса оксидирования, т.к. это предотвращает создание дополнительного напряжения в резьбовом соединении. Выполнение шпинделя из титанового сплава, имеющего оксидную пленку, которая создана в результате термического оксидирования поверхности шпинделя, уменьшает коррозию шпинделя, а также корпуса, крышки, обоймы из стали вследствие уменьшения происходящих электрохимических процессов между ними и шпинделем.

Рассмотрим протекающие процессы коррозии для пары: стальной корпус и шпиндель из титанового сплава с оксидированной поверхностью: а) при контактной электрохимической коррозии в условиях более близких значений электродных потенциалов (сталь - титан оксидированный) по сравнению со значениями электродных потенциалов (сталь - сталь с азотированной поверхностью), скорость коррозии чрезвычайно мала (ϕ-электродный потенциал: ϕ стали 20Х13 в 5% p-pe NaCl соответствует ≈ -0,300 В, ϕ TiO₂ в 5% p-pe NaCl соответствует ≈ -0,295 В); б) локальное электрохимическое растравливание (коррозия) более однородного структорно-фазового состава как по поверхности, так и по глубине оксидированного титана (TiO₂) менее вероятно по сравнению с локальной электрохимической коррозией, протекающей в случае азотированной поверхности стали; в) высокотемпературная газовая коррозия оксидированного титанового сплава ввиду достижения максимально высокой степени окисления на стадии оксидирования и более низкого коэффициента диффузии кислорода в титановый сплав, по сравнению с железом (Fe), практически исключена на температурных режимах эксплуатации шпинделя.

Таким образом, выполнение шпинделя в задвижке из титанового сплава с оксидированной поверхностью более предпочтительно по сравнению со шпинделем, выполненным из стали, даже с азотированной поверхностью, ввиду значительно меньшего количества факторов риска, способствующих протеканию коррозионных процессов.

Близкие значения электродных потенциалов поверхностей стального корпуса, крышки и оксидированного титанового шпинделя, термодинамическая устойчивость поверхности оксидированного титанового шпинделя к корозионным процессам предопределяет и большую коррозионную устойчивость поверхности стального корпуса, крышки, обоймы в паре сталь - оксидированный титан, в сравнении с парой сталь - азотированная сталь (по прототипу).

Уменьшение коррозии на поверхности шпинделя способствует сохранению внутренней поверхности уплотнения, постоянно взаимодействующего с поверхностью шпинделя, т. е. сохраняется герметичность, в результате чего повышается надежность задвижки, увеличивается срок службы ее, и, кроме того, предопределяет возможность образования коррозии на поверхности крышки в месте контакта с наружной поверхностью уплотнения.

Как показали исследования, проведенные в ГНПП "Мотор", коррозионные процессы протекают слабее, если площадь поверхности шпинделя из титанового сплава с оксидированной поверхностью (катод) меньше или равна суммарной площади поверхностей корпуса, крышки, обоймы (анод), контактирующих с поверхностью шпинделя через рабочую среду (пар или вода).

Благодаря выполнению шпинделя (для задвижки) из титанового сплава с оксидированной поверхностью, уменьшается локальная электрохимическая коррозия за счет более однородного структурно-фазового состава как по поверхности, так и по глубине оксидированного титанового сплава, даже при его поврежденном слое.

Кроме того, высокотемпературная газовая коррозия оксидированного титанового сплава практически исключена при температурных режимах эксплуатации данного шпинделя ввиду достижения максимально высокой степени окисления на стадии оксидирования и более низкого коэффициента диффузии кислорода в титановый сплав по сравнению с железом.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид задвижки, разрез; на фиг. 2 - шпиндель для задвижки, разрез.

Задвижка (фиг. 1) состоит из корпуса 1 с крышкой 2, бугеля 3, шпинделя 4, выполненного с резьбой в верхней его части и соединенного с бугелем 3 резьбовым соединением, проходящего сквозь крышку 2 и входящего в обойму 5, соединенную с конусообразной запорной тарелкой 6. Уплотнение 7 представляет собой кольца асбографитовые АГ-50, прижимаемые планкой 8 через грундбуксу 9. Запорная тарелка 6 с отверствиями 10 взаимодействует с седлом 11.

Задвижка работает следующим образом: шпиндель 4 при его вращении совершает движение вверх или вниз. При движении шпинделя 4 вверх поднимается тарелка 6 и открывает отверстие в корпусе 1. При открытии задвижки рабочая среда, например вода, проходит сквозь корпус 1, заполняя его полость. При движении шпинделя 4 вниз до упора тарелка 6 закрывает отверстие в седле 11 и вода прекращает движение через корпус 1.

Шпиндель для задвижки (фиг. 2) выполнен в виде вала, имеющего на одном из его концов резьбовой участок. Благодаря использованию в задвижке шпинделя из титанового сплава с оксидированной поверхностью значительно уменьшается коррозия основных элементов задвижки, вследствие чего повышается надежность и срок службы шпинделя и задвижки.

Формула изобретения

1. Задвижка для трубопроводов, содержащая корпус с крышкой, бугель, связанный с корпусом, шпиндель, выполненный с резьбовым участком в его верхней части и установленный с возможностью вертикального перемещения через бугель, планку прижимную, грундбуксу, размещенную под планкой, и крышку с уплотнением и закрепленный в нижней его части в обойме, связанной с тарелкой, взаимодействующей с седлом, отличающаяся тем, что шпиндель выполнен из титанового сплава, поверхность которого имеет оксидную пленку, образующуюся в результате термического оксидирования шпинделя, причем оксидная пленка создана на поверхности шпинделя до резьбового участка.

2. Задвижка по п.1, отличающаяся тем, что отношение контактирующих между собой через рабочую среду площади поверхности шпинделя к суммарной площади поверхности корпуса крышки и обоймы меньше или равно единице.

3. Шпиндель для задвижки трубопровода, выполненный в виде вала, имеющего на одном из его концов резьбовой участок, отличающийся тем, что вал шпинделя выполнен из титанового сплава, поверхность которого имеет оксидную пленку, образующуюся в результате термического оксидирования вала, причем оксидная пленка создана на поверхности вала до резьбового участка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2