В работе рассмотрены технологические решения по применению ионно-плазменных технологий для защиты наиболее нагруженных элементов оборудования топливно-энергетического комплекса от эрозионного, абразивного, коррозионного, эрозионно-коррозионного и кавитационного воздействий, а также повышенных контактных напряжений. Обосновано применение покрытий со структурой нанокомпозитов, вместо традиционных монолитных покрытий. Приведено описание специализированного вакуумного оборудования для получения ионно-плазменных покрытий, в том числе, на крупногабаритных изделиях.
Радикальные 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].
Создание современной по своим техническим решениям, надежной в эксплуатации и конкурентоспособной запорной и регулирующей арматуры, предназначенной для добычи и транспортировки углеводородов с повышенным содержанием высокоагрессивных соединений, можно отнести к одной из таких инновационных задач.
Хорошо известно, что около 50% всех аварий и остановов оборудования в нефтегазодобывающей отрасли, при производстве электрической и тепловой энергии, в ЖКХ, вызвано отказами в работе элементов арматуры, преждевременный выход из строя которых обусловлен их работой в условиях эрозионного, абразивного, коррозионного, эрозионно-коррозионного и кавитационного воздействий, а также повышенных контактных напряжений.
Наибольшую опасность представляют отказы арматуры, эксплуатирующийся в средах с повышенным содержанием агрессивных соединений, потеря герметичности которой может стать следствием утечек в атмосферу, возможным возникновением крупных аварий с крайне негативными экологическими и социальными последствиями.
Сегодня в арматуростроении применяют достаточно широкий спектр упрочняющих технологий: плазменное напыление, химико-термическую обработку, электролитические и химические покрытия, лазерную обработку и др. Для крупногабаритных элементов арматуры, например, шиберов задвижек шиберных для магистральных нефтепроводов (DN ≥ 300), спектр применяемых технологий сильно ограничен. Так в частности, отечественные производители крупногабаритной арматуры используют гальваническое хромирование, зарубежные – химическое никелирование. Эти способы не являются экологически безопасными, а получаемые покрытия не всегда могут соответствовать все более возрастающим эксплуатационным требованиям.
Для упрочнения наиболее нагруженных элементов оборудования топливно-энергетического комплекса сегодня перспективно применение 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 материалам изделий и практически неограниченному составу получаемых покрытий, но и их полная экологическая безопасность.
Современным технологическим подходом к синтезу ионно-плазменных покрытий стало формирование покрытий со структурой нанокомпозитов [2], у которых характерный размер структурной единицы в одном из направлений лежит в нанометровом диапазоне. К основным преимуществам нанокомпозитных покрытий относятся:
· сочетание сверхвысокой твердости (≥40 ГПа) с высокой вязкостью и низкой величиной внутренних напряжений;
· высокая стойкость к пластической деформации при низком значении модуля упругости;
· высокие антифрикционные свойства;
· высокая износостойкость и защита от коррозии.
Интересным c практической точки зрения, свойством наноструктур
[2-4], 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 (см. рис.1). 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 6-8 нм.
Для формирования покрытий со структурой нанокомпозитов (см. рис.2) сегодня все большее применение находят процессы магнетронного распыления материалов, в основе которых положен принцип распыления мишени (катода) ионами, поступающими из газового разряда низкого давления и ускоренными в сторону мишени. Непрерывное горение газового разряда обеспечивается ионизационным действием электронов плазмы, дрейфующих в скрещенных электрических и магнитных полях вдоль замкнутого трека. К преимуществам метода магнетронного распыления относят: высокие скорости распыления материалов; возможность получать покрытия из металлов, сплавов, полупроводников; отсутствие в распыленном потоке капель и кластеров; возможность формировать равномерный поток распыленных частиц на большой длине. К недостаткам магнетронного распыления, до недавнего времени, относили низкий процент ионизации распыленных атомов, однако с появлением разбалансированных магнетронов, систем повышенной ионизации типа «face-to-face» и «плазменный котел», а также специализированных блоков питания: импульсных, дуальных, биполярных этот недостаток был устранен.
Для реализации способа магнетронного распыления и формирования ионно-плазменных покрытий на элементах оборудования топливно-энергетического комплекса коллективом НЦ «Износостойкость» НИУ «МЭИ» были созданы установки «Гефест» (2006 г., [5]) и «Гефест+» (2009 г). Идеологическое построение обеих установок одинаковое, отличаются установки областью равномерного формирования покрытий по высоте и, помимо магнетронов, наличием дополнительных технологических источников (см. табл.1). Рассмотрим особенности организации вакуумного объема этих установок на примере установки «Гефест» (см. рис. 3).
Установка «Гефест» (рис.3, а) оснащена 4-мя разбалансированными магнетронами и ионным источником. За один технологический цикл в установке можно произвести упрочнение 8-ми рабочих лопаток последних ступеней турбин типа Т-100-130, или от 20-ти до 30-ти комплектов (в зависимости от типоразмера) элементов запорной арматуры. Средняя продолжительность технологического цикла составляет 5÷6 часов.
Вакуумная камера установки «Гефест», спроектирована и изготовлена таким образом, чтобы для формирования покрытий в ней возможно было реализовывать практически все известные конфигурации взаимного расположения технологических источников. Наиболее распространенными конфигурациями расположения магнетронов в установке являются так называемый «плазменный котёл» и «face-to-face».
С применением метода магнетронного распыления коллективом
НЦ «Износостойкость» были разработаны технологии формирования защитных покрытий, которые могут эксплуатироваться при воздействии различных повреждающих факторов: эрозии и коррозии [6], больших контактных напряжений [7], высоких температур [8] (см. рис. 4).
В 2013 году коллективом был введен в промышленную эксплуатацию не имеющий аналогов технологический комплекс (ТК) для формирования ионно-плазменных покрытий на крупногабаритных изделиях [9], который позволяет проводить обработку деталей весом до 5000 кг и длиной до 3000 мм. ТК включает в себя специализированное вакуумное оборудование, сервисное оборудование, измерительно-диагностическое оборудование и приборы для контроля характеристик материалов и покрытий
Специализированное вакуумное оборудование ТК (см. рис. 5) включает в себя «стандартный» набор элементов и подсистем: непосредственно вакуумную камеру, систему высоковакуумной откачки и измерения давления, технологические источники для создания потока ионов и атомов из которого формируется покрытие, устройства для подачи плазмообразующих и реакционных газов, систему электрического питания и другие подсистемы.
В качестве технологических источников использованы планарные магнетроны специальной конструкции, обеспечивающие зону равномерного формирования покрытий до 3000 мм. С каждой стороны обрабатываемого изделия располагаются по два магнетрона, объединенные единым защитным экраном - магнетронная сборка. В конструкции оборудования предусмотрено как одновременное, так и независимое перемещение каждой магнетронной сборки.
В настоящее время с помощью оборудования технологического комплекса разработаны технологии формирования защитных покрытий на шиберах задвижек шиберных для магистральных нефтепроводов
(DN 300÷1200), взамен процессов гальванического хромирования и химического никелирования, а также на других элементов оборудования топливно-энергетического комплекса, эксплуатирующихся при совокупном воздействии различных таких повреждающих факторов.
Список использованных источников
1. Инновационное развитие – основа модернизации экономики России: Национальный доклад. – М.: ИМЭМО РАН, ГУ-ВШЭ, 2008.- 168 С.
2. Nanostructured Coatings / Eds. A. Cavaleiro, J. T. M. De Hosson / Springer, N.Y., 2006. 648 p.
3. Структура и свойства твердых и сверхтвердых нанокомпозитных покрытий / A.Д. Погребняк [и др.] // Успехи физических наук. 2009. т.1. №1. С. 35-65.
4. Азаренков, Н.А. Наноструктурные покрытия и наноматериалы: Основы получения. Свойства. Области применения: Особенности современного наноструктурного направления в нанотехнологии / Н.А. Азаренков, В.М. Береснев, А.Д. Погребняк, Д.А. Колесников. – М.: Книжный дом “ЛИБРОКОМ”, 2012. – 368 с.
5. Качалин Г.В., Рыженков В.А., Медников А.Ф. Повышение ресурса важнейших элементов оборудования ТЭС и АЭС на основе применения защитных ионно-плазменных покрытий. //Всероссийская научно-практическая конференция "Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем": Сб.докл. - Москва, МЭИ (ТУ), 1-3 июня 2010 г., том 1, С.81-84.
6. Рыженков В.А., Качалин Г.В., Погорелов С.И., Старикова О.В., Тер-Арутюнов Б.Г. Перспективы применения ионно-плазменных покрытий для повышения износостойкости элементов энергетического оборудования //Новое в российской электроэнергетике: ежемесячный электронный журнал. – Энерго-пресс, 2004., №3. С. 16-25.
7. Качалин Г.В., Рыженков В.А., Тер-Арутюнов Б.Г., Медников А.Ф. Упрочнение элементов запорной и регулирующей арматуры с использованием ионно-плазменных технологий // Технология металлов, - № 4. 2007. С. 19-21.
8. Рыженков В.А., Федоров В.А., Качалин Г.В., Медников А.Ф. Повышение коррозионной стойкости лопаток высокотемпературных ступеней турбин //Надежность и безопасность энергетики, - №2(5), 2009. С. 34-39.
9. Качалин Г.В., Рыженков В.А., Медников А.Ф. Инновационный технологический комплекс для формирования ионно-плазменных многофункциональных покрытий на поверхностях крупногабаритных элементов запорно-регулирующей арматуры // Естественные и технические науки. – №2(64). - 2013. - С.168–174.
