Napawanie regeneracyjne siedlisk w sterowanych zaworach bezpieczeństwa
Producenci armatury przemysłowej, w tym również armatury zabezpieczającej, na podstawie własnych badań i doświadczeń, na części tzw. organu zamykającego (siedlisko - grzyb, klin) stosują różne materiały konstrukcyjne. Powierzchniom uszczelniającym wymienionych części, dzięki stosowanym materiałom i technologiom, nadaje się wymagane właściwości eksploatacyjne:
- odporność na korozję;
- odporność na korozję i zużycie (docisk/docisk + tarcie);
- odporność na korozję, zużycie (docisk/docisk + tarcie) i temperaturę.
Aby uzyskać potrzebne właściwości eksploatacyjne, stosuje się stale odpowiednio obrobione cieplnie, które niejednokrotnie dodatkowo jeszcze są obrabiane cieplno-chemicznie, napylane lub napawane.
W wyniku eksploatacji armatury, na skutek wielu czynników, powierzchnie uszczelniające organów zamykających ulegają zniszczeniu i wymagają regeneracji.
W artykule na przykładzie siedlisk w sterowanych zaworach bezpieczeństwa przedstawiono problematykę ich regeneracji, z jednoczesnym zastosowaniem nowego materiału spawalniczego zastępującego stellit.
Sterowane zawory bezpieczeństwa
Zawór bezpieczeństwa to urządzenie, które samoczynnie, bez udziału energii innej niż energia czynnika odprowadza pewną ilość tego czynnika, zapobiegając w ten sposób przekroczeniu ustalonego uprzednio bezpiecznego ciśnienia, oraz jest zaprojektowane tak, aby ponownie się zamknęło i uniemożliwiło dalszy wypływ czynnika po przywróceniu normalnego stanu ciśnienia roboczego.
Sterowany zawór bezpieczeństwa to zawór, w którym grzyb może być dodatkowo podnoszony przez napędzany mechanizm sterujący, przy ciśnieniu niższym niż ciśnienie początku otwarcia, oraz który będzie spełniał wszystkie wymagania dotyczące zaworów bezpieczeństwa podane w normie, nawet w przypadku awarii mechanizmu sterującego [1].
Przykładową konstrukcję sterowanego zaworu bezpieczeństwa przedstawiono na rys. 1 [2].
Organ zamykający tych zaworów składa się z:
- grzyba wykonanego ze stali martenzytycznej i ulepszonej do twardości około 45-50 HRC,
- króćca wlotowego zakończonego siedliskiem napawanym stopem Co-W-Cr (stellitem o zawartości węgla około 1,1%),o twardości około 42 HRC. Króćce wlotowe wykonane są z konstrukcyjnej stali węglowej - w przypadku temperatury pracy zaworu do 450 °C lub ze stali do pracy w podwyższonych temperaturach (gat. 10CrMo 910) - praca zaworu do 550 °C.
Produkcyjne procesy napawania stellitem dzięki wieloletnim doświadczeniom nie stwarzają problemów technicznych. Osobnym jednak problemem są zagadnienia kosztów produkcji, które są związane z:
- materiałem podstawowym do napawania,
- materiałami do tzw. buforowania,
- podgrzewaniem przed spawaniem,
- obróbką cieplną po napawaniu.
W procesach regeneracyjnych (remontowych) procesy ponownego napawania już nie należą do bezproblemowych. Z uwagi na jednostkowe prace związane z regeneracją siedlisk, praktycznie do wykorzystania jest tylko technologia napawania łukowo-ręcznego elektrodami otulonymi.
Przygotowanie powierzchni do napawania oraz dostęp do niej jest bardzo utrudniony. W przypadku regeneracyjnego napawania stellitem dochodzą jeszcze dodatkowe technologiczne utrudnienia. Dlatego warto poszukiwać innych materiałów niż stellit, spełniających wymagania stawiane regenerowanym siedliskom, a jednocześnie łagodzących trudności technologiczne.
Materiały do napawania
Producenci armatury przemysłowej stosują na powierzchnie uszczelniające materiały spawalnicze, których składy chemiczne oraz podstawowe właściwości podano w tabeli 1. Zależność twardości tych napoin od temperatury przedstawia rys. 2
W przypadku sterowanych zaworów bezpieczeństwa praktycznie na napoiny siedlisk ma zastosowanie wyłącznie stellit. Analiza właściwości nowoczesnych stali o bardzo wysokiej wytrzymałości, które umownie nazwane są stalami maraging, wykazuje, że najbardziej popularne stale zawierają 20-25% Ni z dodatkami 1,3-1,6% Ti, 0,15-0,30% Al, 0,3- -0,5% Nb i bardzo małą zawartość węgla. Niestety, stale te charakteryzują się małą odpornością na korozję oraz utratą wytrzymałości podczas długotrwałego nagrzewania w temperaturach powyżej 400 °C. Z tego też powodu opracowano stosunkowo nowy gatunek stali typu maraging o nazwie Pyromet X-15, w której zamiast niklu wprowadzono chrom, a także dodatkowo kobalt. Stal ta jest odporna na korozję, a ponadto zachowuje dobrą wytrzymałość do temperatury 600 °C.
Autor artykułu poprzez analogię postanowił wykorzystać na napoiny siedlisk zaworów bezpieczeństwa elektrody o składzie zbliżonym do stali Pyromet X-15 - elektrody te są oznaczone symbolem XHD 6804.
Zależności współczynników rozszerzalności cieplnych napoin od składu chemicznego i temperatury przedstawiono na rys. 3.
Na rys. 3 pokazano, że liniowe współczynniki rozszerzalności cieplnej materiału podstawowego (stale ferrytyczno-perlityczne) i napoin wykonanych z materiałów austenitycznych znacznie się różnią.
W przypadku cyklicznych, eksploatacyjnych zmian temperatury materiału podstawowego i napoiny ta różnica współczynników rozszerzalności jest bardzo niekorzystna.
Proces napawania
Siedliska zaworów bezpieczeństwa dokumentacyjnie i produkcyjnie są napawane stellitem. Opisane w artykule procesy dotyczą regeneracyjnego napawania metodą łukowo-ręczną elektrodami otulonymi, z wykorzystaniem elektrod stellitowych oraz XHD 6804. Tradycyjnie przy napawaniu stali konstrukcyjnych węglowych lub niskostopowych do pracy w podwyższonej temperaturze stellitem zachodzi konieczność ich buforowania elektrodami austenitycznymi. Zasada ta ma równie dużo zalet, jak i wad. Buforowanie - nałożenie materiału poprzez spawanie na materiał podstawowy w celu zapewnienia właściwego metalurgicznego przejścia do końcowej nałożonej warstwy utwardzającej [3j. Z doświadczeń autora artykułu wynika, że dla warunków eksploatacyjnych buforowanie, przed stellitowaniem, elektrodami austenitycznymi (18-8) króćców wlotowych zaworów bezpieczeństwa jest niekorzystne. W niniejszej pracy wykonane napoiny na stali 10CrMo910 nie były poprzedzone buforowaniem. Na rys. 4 podano parametry podgrzewania przed napawaniem oraz obróbki cieplnej pospawalniczej. Zabiegi cieplne (podgrzewanie przed napawaniem oraz obróbka cieplna) podczas napawania stellitem w stosunku do elektrody XHD 6804 wymagają znacznie wyższej temperatury podgrzewania oraz mniejszych szybkości podgrzewania i studzenia po wygrzewaniu. Czas trwania tych zabiegów dla napoin stellitowych jest około dwukrotnie dłuższy niż dla napoin uzyskanych z elektrody XHD 6804. W przypadku zalecanego buforowania różnica tych czasów jest kilkakrotnie większa.
Badania napoin
Zakres badań napoin wynikał głównie z praktyk stosowanych przez producentów armatury, z doświadczeń autora artykułu, a także z zaleceń normy [3]. Zastosowano następujące rodzaje badań:
- badania wizualne,
- badania penetracyjne,
- badania ultradźwiękowe,
- badania metalograficzne „makro”,
- badanie twardości,
- badania metalograficzne „mikro”,
- badania składu chemicznego.
Ogólnie uzyskano pozytywne wyniki badań.
Wycinki próbek napawanych przedstawiono na rys. 5. Badania wizualne przeprowadzono na zewnętrznych powierzchniach napoin w stanie bez obróbki skrawaniem i w trakcie jej wykonywania.
Po wstępnej obróbce napoin wykonano badania penetracyjne: nie stwierdzono nieciągłości liniowych i punktowych - wynik pozytywny. Badania ultradźwiękowe prowadzono w celu oceny poprawności wtopu - nie stwierdzono przyklejeń. Badania metalograficzne „makro” w przekroju poprzecznym potwierdziły jakościowo dobrą napoinę - nie stwierdzono wad w poszczególnych warstwach i ściegach. Badania twardości prowadzono w przekroju poprzecznym (rozkład twardości) oraz na powierzchniach czołowych po wstępnej obróbce skrawaniem i po obróbce skrawaniem na głębokości około 2 mm od powierzchni zewnętrznej.
Wyniki uzyskanego rozkładu twardości przedstawia rys. 6. Wyniki te w części warstw wierzchnich napoin zostały potwierdzone również podczas badań na powierzchniach czołowych.
W tym przypadku napoina stellitowa na powierzchni zewnętrznej po wstępnej obróbce skrawaniem ma twardość około 404 HV/10, zaś na głębokości 2 mm około 355 HV/10. Napoina uzyskana z elektrody XHD 6804 miała odpowiednio twardość około 459 HV/10 i na głębokości 2 mm około 441 HV/10.
Badania metalograficzne „mikro” prowadzone były z wykorzystaniem mikroskopu skaningowego JSN 5400, przy współudziale prof. dr hab. inż. Mirosława Gajewskiego z Politechniki Świętokrzyskiej.
 |
 |
Zgłady do badań trawiono chemicznie, etapami:
etap I - ujawnianie struktury materiału rodzimego (nital),
etap II ujawnianie struktury napoin. Dodatkowo przeprowadzono orientacyjną analizę liniową wybranych pierwiastków w obszarze materiał rodzimy - napoina.
Badania składu chemicznego wybranych miejsc elementów napawanych, których wyniki podano w tabeli 2, wykonano za pomocą mikroanalizatora rentgenowskiego EDS ISIS serii 300.
Warstwa wierzchnia napoiny stellitowej ma strukturę dendrytyczną, złożoną z roztworu stałego y bogatego w kobalt i eutektycznych węglików chromu i wolframu (rys. 7). Rys. 8 przedstawia analizę widmową wybranych pierwiastków materiału rodzimego (10CrMo910), strefy przejścia oraz pierwszej warstwy napoiny XHD 6804, natomiast rys. 9 - strukturę wymienionej na rysunku pierwszej warstwy napoiny XHD 6804. Rys. 10 i 11 przedstawiają mikrostrukturę warstwy wierzchniej napoiny XHD 6804 wraz z analizą widmową. Mikrostruktura napoiny XHD 6804 ma strukturę dendrytyczną, złożoną z austenitu stopowego i martenzytu.
 |
 |
Podsumowanie
- Napawanie utwardzające stali 10CrMo910, z której wykonane są króćce wlotowe zaworów bezpieczeństwa sterowanych elektrodami stellitowymi oraz maraging - XHD 6804, w obu przypadkach dało wyniki pozytywne.
- Procedury związane z technologią napawania elektrodami XHD 6804 są znacznie prostsze (technologicznie łatwiejsze) niż te, których należy przestrzegać przy napawaniu elektrodami stellitowymi.
- Praktycznie w przypadku wykorzystywania do regeneracyjnego napawania elektrod XHD 6804 niebezpieczeństwo pęknięć napoin nie występuje.
- Z analizy pracy organu zamykającego sterowanych zaworów bezpieczeństwa, a także z wyników badań [4] i [5] oraz uzyskanych w pracy wyników należy sądzić, że podczas regeneracji siedlisk zaworów można z powodzeniem wykorzystać elektrody XHD 6804 zamiast trudnych technologicznie stellitów.
- Wymienione elektrody do regeneracji w pełni spełniają konieczne właściwości eksploatacyjne, a mianowicie odporność na korozję, zużycie (docisk/docisk) i temperaturę.
- Buforowanie, szczególnie przy pracach regeneracyjnych, jest zbędne.
- Proponowana zmiana materiału napoin siedlisk zaworów bezpieczeństwa sterowanych, oprócz wymienionych ułatwień technologicznych, znacznie obniża koszty remontu.
- Po wykonanej regeneracji siedlisk sterowanych zaworów bezpieczeństwa, a także innych prac remontowych należy dokonać kontroli i nastaw ciśnień początku otwarcia zaworów. W artykule [6] opisano nowe zasady kontroli lub nastaw ciśnień początku otwarcia zaworów. Rys. 12 pokazuje przygotowanie do nastaw zaworu.
