Современные пружинные материалы. Перспективные титановые сплавы для пружин запорной арматуры химической и нефтеперерабатывающей промышленности

Доклад на конференции ЦКБА 20.05.2004.

Упругие элементы нашли широкое применение в трубопроводной арматуре химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Область использования пружин разнообразна – от электромагнитных приводов исполнительных устройств до защёлок и фиксаторов. Пружины являются основными элементами регуляторов давления, предохранительных, запорных, клапанов от точности и качества, изготовления которых напрямую зависит срок службы и надёжность  функционирования всего изделия.

Современный уровень развития химической и нефтеперерабатывающей промышленности выдвигает новые, повышенные требования к долговечности и надёжности оборудования, технологические среды в которых, обладают высокой коррозионной активностью к большинству известных металлов и сплавов.

Опыт нашего предприятия по серийному изготовлению пружин показывает, что одним из основных факторов, влияющих на ресурс работы предохранительной арматуры является оптимальный выбор материала пружины. Подбор  определённого материала для конкретных условий эксплуатации является сложной задачей и зависит от множества факторов, таких как характер нагружения пружины, температура работы и наличие  агрессивных воздействий.

Работа с отечественными и зарубежными поставщиками металлопроката позволяет предложить нашим заказчикам широкий выбор материала.

Так высокоуглеродистые холоднотянытые нагартованные стали используют для изготовления экономичных, наиболее доступных пружин. Они используются в механизмах крепления, фиксаторах, защёлках работающих при обычной температуре.

Легированные стали, такие как 60С2А и 51ХФА целесообразно использовать для ответственных пружин регуляторов давления и  предохранительных клапанов. Из зарубежных аналогов для пружин с высокой циклической нагрузкой можно рекомендовать клапанную проволоку закалённую в масле.

Для механизмов, работающих в условиях воздействия среднеагрессивных и высокоагрессивных сред используют коррозионосстойкие хром-никелевые сплавы с содержанием хрома до 30%.

Пружины паровой арматуры изготавливают из жаропрочных никелевых сплавов содержащих до 70 процентов никеля, за счет которого появляется возможность их использования  при температуре до 800°С например в турбинах.

Остановимся подробнее на новом, достаточно молодом конструкционном материале – титане и сплавах на его основе. Первыми и главными объектами широкого технического применения титановых сплавов были авиация, ракетостроение и космическая техника. Это те области, где требуется высокая удельная прочность титана. Химическая промышленность, морское судостроение, цветная металлургия, пищевая промышленность ставят на первое место другое свойство титановых сплавов – их коррозионную стойкость, которая оказалась не менее примечательной, чем высокая удельная прочность.

Использование титана повышает надёжность конструкций машин  и аппаратов, снижает металлоемкость в расчёте на единицу оборудования. Срок эксплуатации техники возрастает в 10-15 раз. Значительно сокращаются объёмы капитальных и текущих ремонтов. Поэтому, несмотря на более высокие первоначальные капиталовложения применение титана экономически оправдано.

Отраслью техники, в которой основное значение имеет повышенная коррозионная стойкость титана, без сомнения, является химическая промышленность. Следует отметить, что в конструкциях аппаратов химического оборудования для повышения его стойкости и надёжности в основном используется технический титан марок ВТ 1-0, ВТ 1-00,  как наиболее коррозионностойкий из конструкционных титановых сплавов.

В нашем сообщении мы хотим рассмотреть новую область применения титана в химическом машиностроении, а именно, как материала для энергоёмких высоконагруженных пружин запорной арматуры.

Титановые сплавы имеют ряд существенных преимуществ перед другими материалами при использовании их в пружинах и упругих элементах. В них  выгодно сочетаются высокая прочность, низкий модуль упругости, низкая плотность, немагнитность, высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.

При применении титановых сплавов взамен традиционных пружинных сталей может быть достигнуто значительное снижение массы пружины не только вследствие малой плотности сплавов, но и за счет низкого значения модуля упругости, позволяющего пружине производить одну и ту же работу при меньшем количестве витков. Как показывает предварительная оценка и практика применения титановых пружин, при прочих равных условиях они легче стальных пружин в 1,5-2,5 раза.

Из соотношения модулей сдвига G титановых сплавов и традиционных пружинных сталей вытекают два условия сравнения винтовых пружин из этих материалов:

- при одинаковых геометрических параметрах стальной и титановой пружин  одной и той же нагрузке будут соответствовать разные прогибы, обратно пропорциональные величине модуля сдвига рассматриваемых материалов;

- при возможной замене пружин из традиционных легированных сталей пружинами из титановых сплавов с целью снижения габаритов узла, одна и та же их жесткость может быть достигнута за счет варьирования величиной диаметра проволоки d и пружины D0, а также, числа рабочих витков n.

Т.е титановые пружины позволяют заменить практически все традиционные пружинные материалы.

Накапливаемая или потенциальная энергия на единицу массы титановой пружины  в 2-3 раза выше, чем у стальных пружин. Так для стальной пружины накапливаемая потенциальная энергия находится на уровне 200-600 Дж/кг, а титановой пружины - 1000-1500 Дж/кг. Повышенная энергоемкость пружин из титановых сплавов при прочих равных условиях  позволяет при  силе или деформации  как у стальных аналогов, производить большую работу, благодаря которому расширяется диапазон настройки и регулирования клапанов.

Сравнение характеристик стали и титана показывает, что объёмная эффективность пружин из титанового сплава более чем на 25% выше, чем у стальных, а по весовой эффективности превосходят их более чем в два раза. Таким образом, пружины из титановых сплавов должны быть компактнее и легче эквивалентных стальных пружин.

В качестве пружинного материала, обеспечивающего значительную экономию массы и объема, целесообразно применение высокопрочных титановых сплавов с уровнем прочности от 1200 МПа и выше. Высокопрочные титановые сплавы более предпочтительны, т.к. максимально допускаемое касательное напряжение пружины τ3 тем выше, чем больше предел прочности сплава. В свою очередь, чем выше τ3, тем выше энергоемкость пружины. Из отечественных материалов этим требованиям наиболее соответствуют титановые сплавы с (α+β) – структурой ВТ16 и ВТ23, а также β – сплав марки ТС6.

Все они обладают высоким комплексом механических свойств и удовлетворительной технологической пластичностью, что позволяет получать практически все виды полуфабрикатов, в том числе проволоку и лист для изготовления винтовых и тарельчатых пружин.

Природа этих сплавов такова, что делает возможным применение упрочнения по схеме низкотемпературной термомеханической обработки, тем самым, достигая высоких механических характеристик материала.

Особое место среди упругих элементов занимают титановые тарельчатые пружины, которые используют при необходимости обеспечения высоких силовых нагрузок при малых деформациях. Как правило, их применяют в устройствах компенсаторов трубопроводной арматуры. Тарельчатые пружины изготавливают из листовых заготовок, полученных по специальной технологии и обеспечивающих изотропность механических свойств.

В атмосферных условиях титан и его сплавы являются одним из наиболее стойких конструкционных материалов. В пресной воде титан не корродирует, по стойкости в морской воде он превосходит нержавеющие стали в 10-20 раз. Из числа органических сред, в которых титан обладает высокой коррозионной стойкостью можно назвать все нефтепродукты и многие органические кислоты.

Стойкость титана к минеральным кислотам сильно зависит от их концентрации. Так он успешно эксплуатируется  в азотной кислоте с концентрацией до 40%, в концентрированной серной кислотах, однако нестоек в её растворах. По отношению к соляной кислоте титан обладает ограниченной стойкостью, с увеличением концентрации кислоты более 15% скорость коррозии резко возрастет. В фосфорной кислоте титан стоек до концентрации 35%. Наиболее агрессивными по отношению к титану является плавиковая кислота и её соли.

Важным критерием работоспособности пружин является их релаксационная стойкость, которая характеризует способность пружины сохранять свои рабочие характеристики такие как жёсткость, усилие и деформация весь срок службы. От релаксационной стойкости пружины напрямую зависит надёжность и стабильность работы механизмов арматуры.

Проведённые исследования показали, что релаксация напряжений при длительном статическом нагружении тарельчатой пружины с выдержкой 720 суток и уровне напряжений σ13≈2000 МПа составила для сплава ВТ 23 около 1% при испытаниях на воздухе и в морской воде. Для пружин из сплава ТС6 релаксация напряжений колебалась от 1 до 9%.

Не менее высокие значения релаксационной стойкости показывают винтовые пружины из сплава ТС6. Остаточная деформация составляет 1-2% при достаточно высоком уровне касательных напряжений τ3=1250-1450 МПа или же практически полном её отсутствии при напряжениях менее 1000 МПа.

Стоимость титановых пружин определяется прежде всего ценой исходного полуфабриката. Проведенный расчёт показал, что в сравнении с клапанной пружиной из нержавеющего хром-никелевого сплава 12Х18Н10Т аналогичная титановая пружина из сплава ВТ16 будет на 30-40% дороже, однако повышенный срок службы пружины с многократно компенсирует понесённые затраты.

Доклад представлен фирмой  «Спринг-Центр», которая образована коллективом сотрудников пружинной лаборатории ФГУП «ЦНИИ Материалов». Специалисты фирмы осуществляют комплексные инженерные решения в области выбора материалов и производства пружин как из традиционных высокоуглеродистых и легированных сталей, так и из жаропрочных никелевых и  титановых сплавов.

Наша фирма практически единственное предприятие в России, которое имеет опыт промышленного изготовления пружин из титановых сплавов.

За последние годы изготовлено более 50 типоразмеров винтовых и тарельчатых пружин различного назначения, в том числе  - тарельчатые пружины из сплава ВТ23 для запорно-регулирующей арматуры нефтегазодобывающей промышленности. Среди наших заказчиков такие известные предприятия как «Знамя труда», «Тяжпромарматура», корпорация «Сплав», «Лукойл-энергогаз», «Атомэнерго», «Компрессорный комплекс», «Руст-95» и многие другие.

Высокое качество производства фирмы подтверждено международным сертификатом ISO 9001:2000.

Авторы:
В.П. Белогур, начальник лаборатории ФГУП «ЦНИИМ»
к.т.н., А.Н.Трещевский, ведущий научный сотрудник ФГУП «ЦНИИМ»
к.т.н.; С.Ю. Конев, технический директор ООО «Спринг-Центр».

 
Учредитель "Ассоциации производителей пружин"
Яндекс.Метрика Google+