Введение
На предприятиях водо- и газоснабжения, нефтепереработки и нефтехимии для транспортировки сырья и готовых продуктов применяются разветвленные сети трубопроводов. Они оснащаются разнообразной арматурой – фланцевыми соединениями, фильтрами, клапанами, задвижками и кранами. Арматура монтируется преимущественно с использованием резьбовых крепежных изделий – болтов, шпилек, гаек. В настоящее время широкое распространение получил крепеж из аустенитной нержавеющей стали А2 и аустенитной нержавеющей кислотостойкой стали А4, отечественными аналогами которых являются стали 08Х18Н10 и 10Х17Н13М2 соответственно. Кроме коррозионной стойкости, крепеж из них отличается достаточно высокой механической прочностью, нетоксичностью, маломагнитностью и эстетичным внешним видом.
Проблема заедания при сборке и ее причины
Особенность аустенитных нержавеющих сталей в том, что на поверхностях деталей из них не образуется достаточно плотных оксидных пленок, уменьшающих силы адгезии и препятствующих чистому металлическому контакту. Высокая вязкость, низкий предел текучести и антифрикционные свойства коррозионно-стойких сталей в комплексе приводят к тому, что образование задиров на витках резьбы может произойти уже при сравнительно невысоких нагрузках. Экспериментально установлено, что критическая нагрузка, при которой происходит заедание, для нержавеющих сталей в несколько раз ниже, чем для обычных конструкционных.
Практика эксплуатации нержавеющего крепежа показала, что зачастую в процессе затяжки резьбового соединения происходит заедание с последующей пластической деформацией витков резьбы. После этого при попытке открутить гайку происходит ее полное заклинивание на поврежденном участке. Разобрать такое соединение с помощью гаечного ключа уже невозможно. Ситуация усугубляется тем, что аустенитная нержавеющая сталь плохо поддается механической и газовой резке. Процесс демонтажа такого соединения путем распиливания исключительно трудоемок.
Во многих случаях произвести качественную затяжку резьбового соединения не представляется возможным, поскольку при увеличении момента затяжки начиная с некоторой величины не происходит пропорционального роста растягивающего усилия. Приложенное усилие полностью расходуется на преодоление возрастающей силы трения, что в конечном итоге приводит к лавинообразному развитию процесса схватывания и повреждению резьбовых поверхностей с последующим заеданием.
Меры по предотвращению заедания и обеспечению качественной затяжки
Для предотвращения повреждения нержавеющего крепежа при монтаже эффективно применение специальных резьбовых составов на основе твердых смазок в виде паст и антифрикционных покрытий. Твердые смазки присутствуют в них в виде композиций, как правило, содержащих высокодисперсные порошки графита, дисульфида молибдена и специальных наполнителей в оптимально подобранной концентрации. Обеспечение синергетического взаимодействия нескольких твердых смазок позволяет добиться высоких эксплуатационных свойств композиции при наименьшей ее себестоимости.
Резьбовые пасты
Резьбовые пасты наносятся на поверхность резьбы болта и торцевую поверхность гайки с помощью кисти (рис. 1) или путем распыления из аэрозольного баллона.
Резьбовые пасты за счет высокого содержания твердых смазок (до 60 %) образуют эффективный разделительный слой между контактирующими металлическими поверхностями. Высокодисперсные частицы твердых веществ заполняют впадины микронеровностей поверхности, увеличивая ее опорную площадь и несущую способность. Такой слой способен выдерживать значительные нагрузки, не нарушая своей сплошности и защищая детали крепежа от непосредственного контакта и схватывания (рис. 2).
Дисульфид молибдена и графит благодаря ярко выраженной слоистой структуре обладают уникальными антифрикционными свойствами в широком диапазоне нагрузок и температур.
Применение паст позволяет снизить и стабилизировать трение при свинчивании резьбового соединения и обеспечить его качественную затяжку.
Кроме того, твердые смазки отличаются химической инертностью, термической и окислительной стабильностью. Они остаются эффективными после продолжительного простоя узла и позволяют при необходимости без повреждений
разобрать резьбовое соединение с использованием стандартного инструмента.
Смазочные материалы Molykote производятся корпорацией Dow Corning. Она была основана в 1943 году и получила известность, в том числе, благодаря своим инновационным решениям и большому количеству действующих патентов. Композиции материалов Molykote отличаются высокой эффективностью благодаря использованию при их разработке оптимальных формул состава и синергетических эффектов, выявленных в результате исследований в собственных лабораториях. Официальным дистрибьютором Dow Corning в России является компания ООО «АТФ».
Основные свойства некоторых резьбовых паст Molykote, которые могут применяться для нержавеющего крепежа, приведены в таблице 1.
Резьбовая паста Molykote 1000 на основе минерального масла и высокодисперсного медно-графитового порошка широко применяется в оборудовании различных отраслей промышленности. Один из примеров ее использования – сборка резьбовых соединений из нержавеющих сталей центробежных сепараторов в пищевой промышленности.
Molykote 1000 обеспечивает затяжку соединения без повреждения с очень высоким и точно заданным моментом. Стабильный коэффициент трения позволяет точно контролировать усилие натяжения болтов. Благодаря устойчивости к вымыванию и агрессивному воздействию окружающей среды Molykote 1000 также с успехом применяется при монтаже фланцевых соединений трубопроводов различного назначения. Применение пасты позволяет обеспечить равномерную затяжку всех болтов соединения и предотвратить потерю герметичности из‑за деформации стыка.
Резьбовая паста Molykote P-37 на основе полусинтетического масла, высокодисперсных порошков графита и специальных термостойких смазок благодаря особой чистоте компонентов совместима с жаростойкими сталями. Molykote P-37 является хорошим решением для высокотемпературных резьбовых соединений, поскольку ее использование снижает риск межкристаллитной коррозии. Molykote P-37 широко применяется для резьбовых соединений шиберных затворов в металлургии, паровых и газовых турбин в энергетике, бурильных труб и геофизического оборудования в нефтегазовой отрасли, насосов в химической промышленности.
Резьбовая паста Molykote P-1900 изготовлена на основе минерального масла и белых твердых смазок, не имеет запаха и вкуса, не содержит токсичных веществ. Ее ингредиенты соответствуют списку одобренных для применения в пищевой промышленности 21 CFR 178.3750. Molykote P-1900 имеет пищевой допуск NSF H1 и может применяться на тех участках пищевых производств, где возможен ее случайный контакт с продуктами питания.
Экспериментальные исследования затяжки нержавеющего крепежа
В ЦНИИПСК им. Мельникова были проведены экспериментальные исследования резьбовых паст Molykote на болткомплектах M16x80 из нержавеющей аустенитной стали А2–70 (08Х18Н10). С применением прибора УТБ-40 и динамометрических инструментов определялись предельные моменты закручивания (Мкр) при заданных усилиях натяжения, при которых происходит заедание резьбы, и коэффициенты закручивания (Кз).
Эффективность применения резьбовых паст Molykote на крепежных изделиях из А2–70 оценивалась предельной величиной отношения нормальных напряжений в теле болта σ к пределу его прочности σв, при которой возможен демонтаж гайки после ее закручивания. Для каждого заданного усилия натяжения Ni или нормального напряжения σi фиксировался крутящий момент Mкр, приложенный к гайке (рис. 3).
Коэффициент закручивания рассчитывался по формуле Kз=Mкр / N•d, где d – наружный диаметр резьбы болта.
В соответствии с графиками на рис. 3 заедание резьбы без смазки произошло уже при усилии затяжки σ/σв=0,32, в то время как при использовании резьбовых паст заедания не происходило вплоть до нагрузок σ/σв=0,7…0,8. Смазочный материал эффективно защищал резьбовое соединение от схватывания в процессе затяжки вплоть до нагрузок, сравнимых с прочностью материала болта.
Применение паст также позволило снизить и стабилизировать трение в резьбовом соединении. На рис. 4 представлены графики распределения коэффициента закручивания Kз исследуемых болткомплектов при их затяжке «всухую» и с выбранными для испытаний пастами Molykote.
Из графиков на рис. 4 видно, что применение резьбовых паст позволило снизить коэффициент закручивания с Kз=0,26-0,29 до Kз=0,18-0,22. Кроме того, пасты позволяют поддерживать значение коэффициента закручивания стабильным в широком диапазоне нагрузок.
На рис. 5 приведены фотографии резьбовых соединений после испытаний. Резьбовое соединение без смазки в процессе затяжки было необратимо повреждено при заедании и пришло в негодность. На резьбовых поверхностях болтов, смазанных резьбовыми пастами Molykote, видимые повреждения отсутствуют. Они сохранили свою работоспособность и возможность сборки и разборки. Пасты покрывают рабочие поверхности равномерным тонким слоем и надежно удерживаются на них.
Антифрикционные покрытия (АФП)
Альтернативной технологией, позволяющей стабилизировать трение при затяжке, является применение антифрикционных(твердосмазочных) покрытий Molykote. Это материалы, подобные краскам, но вместо красящего пигмента они содержат высокодисперсные порошки твердых смазок, равномерно распределенные в смеси связующих веществ (смол) и растворителей с присадками. Растворитель в составе композиции обеспечивает удобство нанесения и распределения покрытия по поверхности.
После нанесения растворитель полностью испаряется. Покрытие отверждается и прочно сцепляется с основой в результате полимеризации связующего вещества, которая в зависимости от его типа происходит при комнатной температуре или с нагревом. Таким образом, после отверждения покрытие представляет собой частицы твердых смазочных материалов в полимерной матрице связующего вещества (рис. 6). Дисульфид молибдена (MoS2) –природный минерал, широко применяемый в качестве твердой смазки. Для этого вещества характерна ярко выраженная слоистая структура с возможностью легкого скольжения слоев друг относительно друга. Дисульфид молибдена отличается химической инертностью и уникальными антифрикционными свойствами.
Экспериментальные исследования показывают, что это вещество обеспечивает низкое и стабильное трение при экстремальных контактных давлениях до 3000 МПа.
Реализация технологии твердой смазки с помощью применения антифрикционных покрытий дает возможность произвести подготовку нержавеющего крепежа к сборке на заводе-изготовителе. Это позволяет исключить процедуру нанесения резьбовой пасты при работе на сборочной площадке и в целом снизить трудоемкость монтажа. Кроме того, покрытие, в отличие от резьбовых паст, представляет собой сухую смазку и не способствует налипанию пыли и прочих загрязнений. Оно сохраняет свои эксплуатационные свойства, обеспечивая постоянный коэффициент трения с разбросом в пределах ±0,01 в процессе 5‑8 циклов откручивания-закручивания. Таким образом, при повторных монтажах крепеж не требует восстановления покрытия, в то время как резьбовые пасты требуют повторного нанесения перед каждым монтажом. Толщина покрытия на детали может регулироваться путем изменения концентрации растворителя в составе и, соответственно, изменения вязкости всей композиции. Рекомендуемая толщина отвержденной пленки составляет 5‑15 мкм. При этом покрытие в целях экономии может наноситься только на одну из деталей резьбового соединения – болт или гайку, поскольку и в этом случае будет обеспечено наличие разделительного смазочного слоя между контактирующими поверхностями. Большинство антифрикционных покрытий Molykote допускают последующее окрашивание.
При выборе марки антифрикционного покрытия Molykote для нержавеющего крепежа необходимо учитывать такие эксплуатационные характеристики, как диапазон рабочих температур, коэффициент закручивания и условия полимеризации (температура и выдержка). В таблице 2 дан список марок антифрикционных покрытий, рекомендуемых для нержавеющего крепежа, с их основными характеристиками.
Они отличаются друг от друга типом связующего вещества и растворителя в составе, а также соотношением количества связующего и твердого смазочного материала. В связи с различием композиций представленные марки покрытий обладают различным балансом антифрикционных свойств, адгезии и химической стойкости (устойчивости к воздействию кислот, щелочей и других химически агрессивных веществ). Кроме того, отличаются условия их полимеризации (температура и выдержка). На рис. 7 в качестве примера показан внешний вид нержавеющего крепежа из стали A2-70 с антифрикционным покрытием Molykote 3400A Leadfree.
Антифрикционные покрытия наносятся на подготовленную путем очистки и обезжиривания поверхность. Качество подготовки поверхности напрямую влияет на адгезию покрытия и его долговечность. Покрытия наносят методами, привычными в технологиях окрашивания – окунанием, распылением, кистью, окунанием с центрифугированием. Путем изменения концентрации растворителя в составе можно регулировать его вязкость и, соответственно, толщину пленки покрытия на детали.При необходимости покрытия можно наносить в несколько слоев толщиной 5‑15 мкм каждый с промежуточной сушкой. Для небольших крепежных изделий и фурнитуры оптимальным считается метод окунания с центрифугированием. Для этой цели используются автоматические или полуавтоматические центрифуги (рис. 8). Они реализуют процесс окунания корзины с изделиями в емкость с составом покрытия и последующее вращение корзины для удаления излишков под действием центробежных сил. Весь процесс занимает около двух минут. Такой метод нанесения обладает высокой производительностью, позволяет избежать неравномерности покрытия и его избытка во впадинах резьбы, где оно может удерживаться капиллярными силами. После нанесения покрытия осуществляется его полимеризация при комнатной температуре или в печи в зависимости от марки состава (см. табл. 2). Контроль качества осуществляется стандартными методами путем измерения адгезии, толщины (рис. 9) и коэффициента трения.
Заключение
Резьбовые пасты и антифрикционные покрытия Molykote обладают необходимым комплексом свойств для эффективного управления трением в резьбовом соединении и защиты нержавеющего крепежа от заедания при монтаже и демонтаже. Резьбовые пасты удобно использовать непосредственно на монтажной площадке, нанося их перед сборкой крепежа. В то же время применение антифрикционных покрытий позволяет осуществить подготовку крепежа к сборке на заводе-изготовителе и исключить выполнение связанных с этим трудоемких операций в условиях монтажной площадки. Достаточно наносить покрытие только на одну из нержавеющих деталей резьбового соединения – болт или гайку.
Применение резьбовых паст и антифрикционных покрытий на нержавеющем крепеже позволяет предотвратить появление типичных проблем при монтаже-демонтаже. Современная практика показала, что экономически целесообразнее предупредить отказ резьбового соединения, применив резьбовые смазочные материалы. Очевидно, что затраты на применение смазочного материала и затраты на возможные последствия отказа и ремонт несопоставимы. Приведенный краткий обзор поможет сориентироваться в многообразии резьбовых паст и антифрикционных покрытий торговой марки Molykote и выбрать вариант, оптимальный для конкретного применения.
Опубликовано в «Вестнике арматуростроителя» №5 (33) 2016
Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя» № 5 (33) 2016
