3_Gnylytsia.doc Підвищення ресурсу роботи нітридокремнієвих аероабразивоструменевих сопел для очищення магістральних трубопроводів … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 22 Гнилиця І.Д., Криль Я.А., Цап І.В. Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, м. Івано-Франківськ, Україна ПІДВИЩЕННЯ РЕСУРСУ РОБОТИ НІТРИДОКРЕМНІЄВИХ АЕРОАБРАЗИВОСТРУМЕНЕВИХ СОПЕЛ ДЛЯ ОЧИЩЕННЯ МАГІСТРАЛЬНИХ ТРУБОПРОВОДІВ МЕТОДОМ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ДЕФОРМУВАННЯ Вступ Велике значення при ремонті та будівництві нафтогазопроводів, нафтосховищ і суден має прове- дення антикорозійних робіт – очищення поверхонь до необхідної якості і нанесення на ці поверхні анти- корозійних покрить. Очищення поверхонь проводиться різними абразивами, починаючи з піску і закін- чуючи електрокорундом. Найважливішим елементом обладнання для очищення є аероабразивострумене- ві сопла. Сопла призначені для прискорення абразивно-повітряної струмини до надзвукової швидкості. Ресурс роботи аероабразивоструменевих сопел визначає ефективність роботи обладнання. Постановка задачі Для абразивоструменевого очищення в Україні в основному застосовують сопла імпортного ви- робництва (Clemco, Kiess (Німеччина) Boride (США), ESK, Sintec, San), отримані в основному гарячим пресуванням з надтвердих матеріалів, які забезпечують необхідний ресурс роботи, але при цьому є до- статньо дорогими. Згідно даних проведених маркетингових досліджень орієнтовний ринок сопел в Україні, тис. шт.: з реакційно спеченого карбіду кремнію: 500 - 600; з твердого сплаву: 1500 - 2000; з карбіду кремнію та нітриду кремнію: 2000 - 3000; з карбіду бору: 1500 - 200. На ринку сопел встановилася цінова градація у залежності від ресурсу роботи. Найнижча ціна сопел з реакційно спеченого карбіду кремнію, найвища – B4C. Ціни на сопла залежать від матеріалу, ти- пу та розміру. Для одного типорозміру СР-10-170 (діаметр робочого каналу 10 мм, довжина 170 мм, тип “вентурі”) середня ціна за одне сопло у залежності від матеріалу, USD: - карбід кремнію реакційно спечений: 50; - твердий сплав: 130; - карбід кремнію, нітрид кремнію: 140; - карбід бору: 200. Вибір матеріалу сопла залежить від робочого абразиву: шрот сталевий або чавунний: твердий сплав, карбід кремнію реакційноспечений; пісок: твердий сплав, карбід кремнію реакційноспечений, карбід кремнію, нітрид кремнію; шлак: твердий сплав, карбід кремнію нітрид кремнію, карбід бору; електрокорунд: карбід кремнію, нітрид кремнію, карбід бору. Останнім часом у зв’язку з підвищенням вимог до чистоти поверхонь, об’єми обробки активни- ми абразивами (шлак, електрокорунд) зростають, що зумовлює зростання об’ємів споживання сопел на основі нітриду кремнію, карбідів бору та кремнію. Вітчизняні виробники сопел: СКТС (м. Світловодськ, твердий сплав), НВП “Текском” (м. Київ, карбід бору) на ринку України представлені мало. Тому важливою задачею є розробка вітчизняних со- пел, які за ресурсом роботи не поступались би імпортним, але при цьому були дешевшими. Одним з можливих шляхів вирішення даної задачі є структурне зміцнення матеріалів при високотемпературному деформуванні. Високотемпературне деформування у структурному відношенні вирішує дві задачі: перша – по- кращення структури матеріалу за рахунок додаткового ущільнення, зниження кількості і підвищення рі- вномірності розподілу дефектів (пор), друга – формування направленої структури (текстури) під впливом напруженого стану у процесі деформування. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Підвищення ресурсу роботи нітридокремнієвих аероабразивоструменевих сопел для очищення магістральних трубопроводів … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 23 Висока ймовірність заліковування великих пор при високотемпературному деформуванні дозво- ляє сподіватись на значне підвищення модуля Вейбулла отримуваних матеріалів. Можливість отримання текстури і відповідної анізотропії властивостей для нітридокремнієвої кераміки розглянута в роботах [1 - 5]. Розробляються спеціальні методи, які дозволяють отримувати ніт- ридокремнієву кераміку з анізотропною структурою [6]. Високотемпературне деформування може бути потужним інструментом при вирішенні основних проблем, які треба вирішувати при впровадженні нітридокремнієвих матеріалів, а саме: підвищення на- дійності деталей і вузлів, повторюваність технології, зменшення розсіювання фізико-механічних власти- востей. Метою даної роботи є визначення можливості підвищення ресурсу роботи аероабразивоструме- невих сопел за рахунок структурного зміцнення нітридокремнієвих матеріалів при високотемпературно- му деформуванні. Зміст і результати досліджень У результаті проведення конструкторського аналізу розроблені 10 типорозмірів сопел двох ти- пів: СР (для різьбового приєднання) та СН (для прямого приєднання), які найбільш часто застосовуються у світовій практиці бластирування (рис. 1). Корпус розроблених сопел – алюмінієвий або сталевий. а б Рис. 1 – Аероабразивоструменеві сопла: а –для різьбового приєднання (тип СР); б – для прямого приєднання (тип СН) Типорозміри розроблених аероабразивоструменевих сопел наведені в табл. 1. Таблиця 1 Типорозміри аероабразивоструменевих сопел Типорозмір d, мм d´, мм D, мм D´, мм L, мм 1 2 3 4 5 6 СР-11-200 11 - 17 - 200 СР-12-200 12 - 18 - 200 СР-8-170 8 - 14 - 170 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Підвищення ресурсу роботи нітридокремнієвих аероабразивоструменевих сопел для очищення магістральних трубопроводів … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 24 Продовження таблиці 1 1 2 3 4 5 6 СР-10-170 10 - 16 - 170 СР-11-170 11 - 17 - 170 СН-8/32-110 8 28 12 32 110 СН-10/32-110 10 28 14 32 110 СН-6/25-100 6 21 10 25 100 СН-8/25-100 8 21 12 25 100 СН-10/25-100 10 21 14 25 100 На основі одержаних результатів досліджень розроблена технологічна схема одержання нітридо- кремнієвих матеріалів для сопел у відповідності з якою розроблені технічні та методичні рекомендації до серійного випуску керамічних сопел для аероабразивоструменевої обробки. Як вихідні порошки застосовували плазмохімічний порошок нітриду кремнію складу Si3N4- 5мас.%Y2O3-2мас.%Al2O3 виробництва СКТБ Інституту неорганічної хімії (м. Рига, Латвія). Шихту зава- нтажували в карбідокремнієвий тигель і поміщали у піч СШВ для відпалу. Відпал проводили у дві стадії: І – у вакуумі при температурі 1000 °С. На цій стадії відбувається повне видалення присутніх в порошку побічних продуктів. ІІ – під тиском азоту 0,03 МПа при температурі 1400 - 1450 °С. На цій стадії відбува- ється азотування вільного кремнію, який є у порошку нітриду кремнію, і формування монодисперсних частин . Ці частинки після відпалу вже сформовані, однак припечені одна до одної і потребують розмолу. Для одержання монодисперсного порошку (руйнування зв’язку між частинками) з кулеподібною формою частин після відпалу проводили розмол у середовищі ацетону. Після 12 годин розмолу порошок висушували у сушильній шафі при температурі 250 °С. Гранулометричний контроль проводили на лазерному гранулометрі ZILAZ. Гранулометричний склад вихідного порошку повинен відповідати гранулометричному складу наведеному на рис. 2. Рис. 2 – Гранулометричний склад вихідного порошку Формування заготовок проводили у сталевих прес-формах на гідравлічному пресі при двосто- ронній схемі пресування. Для запобігання браку (розшарування) внаслідок пружної післядії застосовува- ли роз’ємні прес-форми. Пресування проводили при тиску 150 МПа. При пресуванні застосовували плас- тифікатор (1 % розчин каучуку в бензині). Після пресування в сталевих прес-формах заготовки мали щільність 55 % від теоретичної. Для спікання заготовки поміщали у тигель з карбіду кремнію, засипали активною нітридокрем- нієвою засипкою, закривали кришкою і поміщали у робочу камеру печі СШВ. Після одержання вакууму 10-4 мм. рт. ст. піднімали температуру до 1000 °С, підтримуючи вакуум. При 1000 °С вакуум повинен ві- дповідати початковому. Після досягнення температури 1000 °С без падіння вакууму запускали азот і здійснювали нагрівання до 1750 °С зі швидкістю 10 °С/хв. При досягненні температури 1750 °С здійсню- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Підвищення ресурсу роботи нітридокремнієвих аероабразивоструменевих сопел для очищення магістральних трубопроводів … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 25 вали ізотермічну витримку на протязі 1 години при тиску азоту 0,03 МПа. Після охолодження печі заго- товки очищали від засипки і проводили вибірковий контроль щільності методом гідростатичного зважування. Деформування проводять по схемі прямої екструзії з використанням спечених заготовок діамет- ром 30 мм. Для одержання сопел з зовнішнім діаметром 21 мм ступінь обтиску складає 51 %. Кут перехі- дного конуса – 40°. Температура деформування 1800 °С при тиску на пуансоні 30 МПа. Механічну обробку проводили на круглошліфувальному (зовнішня циліндрична обробка) і плос- кошліфувальному (обробка торців) верстатах з застосуванням алмазного інструменту. Для шліфування використовували алмазні круги прямого профілю 1А1 на металевій (чорнове шліфування) і керамічній (чистове шліфування) зв’язці. При шліфуванні алмазними кругами на металевій зв’язці застосовували змащувально-охолоджувальну рідину. Технологічний процес виготовлення партії з 5 шт. сопел для аероабразивоструменевої обробки з врахуванням технологічних переходів і допоміжного часу триває близько 50 годин. Затрати електроенер- гії при цьому становлять близько 200 кВт/год. Виготовлена згідно розробленої дослідно-промислової технології дослідна партія сопел випро- бувана на установці фірми “Kiess” на АТ “Херсонський суднобудівний завод”. Тиск повітря при випро- буваннях становив 0,7 МПа. Робочий абразив – металургійний шлак. Через кожні 20 годин випробувань проводились вимірювання величини відносної зміни діаметру. Випробування проводились до повного зношування сопла. Відносна зміна діаметру Δd/d за 120 годин роботи становила 0,09. Така відносна змі- на діаметру знаходиться на рівні аналогічних нітридокремнієвих сопел німецького виробництва (“Kiess”,”Clemco”). Орієнтовна вартість виготовлених сопел з нітриду кремнію, одержаних методом ви- сокотемпературної екструзії, є на 20 - 30 % нижчою ціни аналогічних сопел німецького виробництва. Висновки Розглянуто існуючий стан вітчизняних та імпортних матеріалів для виготовлення аероабразивос- труменевих сопел. Представлено технологічну схему одержання нітридокремнієвих аероабразивоструменевих со- пел шляхом високотемпературного деформування методом прямої екструзії. Показано можливість підвищення ресурсу роботи нітридокремнієвих аероабразивоструменевих сопел за рахунок структурного зміцнення при високотемпературному деформуванні з досягненням 20 - 30 % економії порівняно з імпортними аналогами. Література 1. Takenaka T., Sakata K. Grain Orientation and Electrical Properties of Hot-Forged Bi4Ti3O12 Ceram- ics // Jpn. J. Appl. Phys. – 1980. – 19. – P. 31-39. 2. Chen I-W., Wu X., Keating S., Keating C. Y., Johnson P., Tien T. G. Texture Development in YBa2Cu3O8 by Hot Extrusion and Hot-Pressing // J. Amer. Ceram. Soc. – 1987. – 70, № 12. – P. 382-388. 3. Bowman K. J., Chen I-W. Transformation textures in Zirconia, submitted to J. Amer. Ceram. Soc. 4. Lee F., Bowman K. J. Texture and Anisotropy in Silicon Nitride // J. Amer. Ceram. Soc. – 1992. – 75, № 7. – P. 1748-1755. 5. Goto Y., Ohta H., Komatsu M. Preferred Orientation and Mechanical Properties of Pressureless Sin- tered Silicon Nitride // Yogyo Kyokaishi. – 1986. – 94, № 1. – P. 167-171. 6. Yusuke Okamoto, Naoto Hirosaki, Motohide Ando, Fumio Munakata and Yoshio Akimune. Thermal Conductivity of Self-Reinforced Silicon Nitride Containing Large Grains Aligned by Extrusion Pressing // Jour- nal of Ceramic Society of Japan, Int. Edition. – 1997. – 105. – P. 684-687. Надійшла 23.05.2012 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com