RU238107U1

RU238107U1 - Gate valve with wear-resistant and corrosion-resistant coating

Info

Publication number: RU238107U1
Application number: RU2025107238U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владимирович Родионов; Ирина Владимировна Перинская; Любовь Евгеньевна Куц
Filing date: 2025-03-24
Publication date: 2025-10-17

Abstract

Полезная модель относится к нефтегазовой области, а именно к устройствам для закачки жидкостей с высоким давлением, агрессивных жидкостей, жидкостей обработки скважин при проведении гидроразрыва пласта, а также жидкостей при освоении скважин, применяемым для обработки пластов в целях интенсификации добычи углеводородов, а также проведения других технологических операций при капитальном или текущем ремонте нефтяных, газовых, газоконденсатных и водозаборных и водонагнетательных скважин. Технический результат полезной модели заключается в повышении износостойкости и коррозионной устойчивости рабочей поверхности шибера, обеспечиваемыми наличием функционального покрытия. Шибер с износостойким и коррозионно-устойчивым покрытием, содержащий пластину с отверстием для регулирования потока жидкости через задвижку, выполненную с возможностью возвратно-поступательного движения в плоскости, перпендикулярной траектории потока, имеющую в указанном отверстии зафиксированную сменную защитную шиберную вставку, и шток для крепления с рукояткой, на рабочей поверхности шибера имеется двухслойное покрытие, где первый слой состоит из смеси наночастиц карбида титана и наночастиц оксида алюминия в количественном соотношении 3:1 и имеет толщину 260-280 мкм, а второй слой выполнен в виде сверхтвердой алмазоподобной пленки толщиной 110-120 нм, при этом твердость двухслойного покрытия составляет 35-36 ГПа. 1 ил. This utility model relates to the oil and gas industry, specifically to devices for pumping high-pressure and aggressive fluids, well treatment fluids during hydraulic fracturing, and well completion fluids used for reservoir treatment to enhance hydrocarbon production, as well as other process operations during major or routine repairs of oil, gas, gas condensate, and water intake and injection wells. The technical result of this utility model is increased wear resistance and corrosion resistance of the gate valve working surface, ensured by the presence of a functional coating. A gate valve with a wear-resistant and corrosion-resistant coating, comprising a plate with an opening for regulating the flow of liquid through a valve, configured to reciprocate in a plane perpendicular to the flow trajectory, having a replaceable protective gate insert fixed in said opening, and a rod for fastening with a handle, on the working surface of the gate valve there is a two-layer coating, where the first layer consists of a mixture of titanium carbide nanoparticles and aluminum oxide nanoparticles in a quantitative ratio of 3:1 and has a thickness of 260-280 μm, and the second layer is made in the form of a superhard diamond-like film with a thickness of 110-120 nm, wherein the hardness of the two-layer coating is 35-36 GPa. 1 ill.

Description

Область техники, к которой относится техническое решение The field of technology to which the technical solution belongs

Полезная модель относится к нефтегазовой области, а именно к устройствам для закачки жидкостей с высоким давлением, агрессивных жидкостей, жидкостей обработки скважин при проведении гидроразрыва пласта, а также жидкостей при освоении скважин, применяемым для обработки пластов в целях интенсификации добычи углеводородов, а также проведения других технологических операций при капитальном или текущем ремонте нефтяных, газовых, газоконденсатных и водозаборных и водонагнетательных скважин.The utility model relates to the oil and gas industry, namely to devices for pumping high-pressure liquids, aggressive liquids, well treatment fluids during hydraulic fracturing, as well as fluids during well development, used for treating formations for the purpose of intensifying hydrocarbon production, as well as performing other technological operations during major or routine repairs of oil, gas, gas condensate, water intake and water injection wells.

Уровень техникиState of the art

Основным рабочим элементом шиберных задвижек высокого давления является шибер, который имеет отверстие для регулирования потока жидкости через задвижку, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения в плоскости, перпендикулярной траектории потокаThe main working element of high-pressure gate valves is the gate, which has an opening for regulating the flow of liquid through the valve, designed with the possibility of reciprocating movement in a plane perpendicular to the flow trajectory.

Шибер в процессе эксплуатации подвергается воздействию высоких давлений, агрессивных жидкостей и абразивных материалов (таких как пропант, кварцевый песок, механические примеси при отработке скважин), что приводит к его износу и разрушению. Вследствие абразивного и коррозионного воздействия происходит износ элементов задвижки, что при достижении критических значений приводит к поломке и выводу оборудования из эксплуатации.During operation, the gate valve is exposed to high pressures, aggressive liquids, and abrasive materials (such as proppant, quartz sand, and mechanical impurities from well production), which leads to wear and tear. Due to abrasive and corrosive effects, the valve components wear out, which, when critical values are reached, leads to failure and decommissioning of the equipment.

В связи с этим задача разработки конструкции шибера с повышенной сопротивляемостью поверхности износу и коррозионному разрушению является актуальной и экономически востребованной.In this regard, the task of developing a gate valve design with increased surface resistance to wear and corrosion is relevant and economically in demand.

Наиболее часто для упрочнения поверхности изделий в промышленном производстве затворных устройств и задвижек применяют химико-термическую обработку (азотирование, цементацию и т.п.), электродуговую наплавку, плазменное напыление износостойких покрытий и другие методы повышения механической прочности и коррозионной стойкости поверхностного слоя.The most common methods used to harden the surface of products in the industrial production of valves and gate valves are chemical-thermal treatment (nitriding, carburizing, etc.), electric arc surfacing, plasma spraying of wear-resistant coatings, and other methods of increasing the mechanical strength and corrosion resistance of the surface layer.

Известны конструкция шиберной задвижки, [Патент RU 57409 U1, опубл. 10.10.2006], которая содержит корпус с перепускным каналом, направляющие, которые выполнены в виде жестко зафиксированных в корпусе пластин из стойкого к коррозии и/или абразивному износу материала и снабжены окнами, соответствующими перепускному каналу по форме и площади проходного сечения, шиберную пластину из стойкого к коррозии и/или абразивному износу материала, размещенную между направляющими пластинами по скользящей посадке, и привод возвратно-поступательного перемещения шиберной пластины между позициями «Закрыто» и «Открыто». Для повышения надежности перепускной канал корпуса футерован гильзами, которые, по меньшей мере, частично изготовлены из стойкого к коррозии и/или абразивному износу материала, служат упорами для направляющих пластин и зафиксированы в корпусе от осевого смещения упорными резьбовыми втулками, а шиберная пластина имеет в верхней части окно для прохода текучей среды.A gate valve design is known [Patent RU 57409 U1, published 10.10.2006], which comprises a housing with a bypass channel, guides which are made in the form of plates rigidly fixed in the housing from a material resistant to corrosion and/or abrasive wear and equipped with windows corresponding to the bypass channel in shape and cross-sectional area, a gate plate made from a material resistant to corrosion and/or abrasive wear, placed between the guide plates by a sliding fit, and a drive for reciprocating movement of the gate plate between the “Closed” and “Open” positions. To increase reliability, the bypass channel of the housing is lined with sleeves, which are at least partially made of a material resistant to corrosion and/or abrasive wear, serve as stops for the guide plates and are fixed in the housing from axial displacement by thrust threaded bushings, and the gate plate has a window in the upper part for the passage of fluid.

Недостатком данной конструкции является недостаточно высокая стойкость поверхности шиберной пластины к механическому и коррозионному разрушениям, приводящим к снижению эксплуатационной надежности и долговечности.The disadvantage of this design is the insufficiently high resistance of the gate plate surface to mechanical and corrosive damage, leading to a decrease in operational reliability and durability.

Наиболее близким к предлагаемому решению является конструкция шибера в составе шиберной задвижки высокого давления [Патент RU №229717, МПК: F16K 3/02, F16K 25/04, 22.10.2024], содержащая корпус с каналом, направляющим поток жидкости через задвижку, шибер, имеющий форму пластины с отверстием для регулирования потока жидкости через задвижку, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения в плоскости, перпендикулярной траектории потока, причем шибер размещен с зазором между седлами с кольцевыми канавками, в указанном канале зафиксированы сменные защитные втулки и расположенные с каждой стороны от шибера, а в указанном отверстии шибера зафиксирована сменная защитная шиберная вставка.The closest to the proposed solution is the design of a gate valve as part of a high-pressure gate valve [RU Patent No. 229717, IPC: F16K 3/02, F16K 25/04, 10/22/2024], comprising a housing with a channel directing the flow of fluid through the gate valve, a gate valve in the form of a plate with an opening for regulating the flow of fluid through the gate valve, made with the possibility of reciprocating movement in a plane perpendicular to the flow trajectory, wherein the gate valve is placed with a gap between seats with annular grooves, replaceable protective bushings are fixed in the said channel and located on each side of the gate valve, and a replaceable protective gate insert is fixed in the said opening of the gate valve.

Раскрытие сущности полезной моделиDisclosure of the essence of the utility model

Задачей полезной модели является повышение эксплуатационной надежности и долговечности конструкции шибера.The objective of the utility model is to increase the operational reliability and durability of the gate valve design.

Технический результат полезной модели заключается в повышении износостойкости и коррозионной устойчивости рабочей поверхности шибера, обеспечиваемыми наличием функционального покрытия.The technical result of the utility model consists in increasing the wear resistance and corrosion resistance of the working surface of the gate valve, ensured by the presence of a functional coating.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемой конструкции шибера с износостойким и коррозионно-устойчивым покрытием, содержащей пластину с отверстием для регулирования потока жидкости через задвижку, выполненную с возможностью возвратно-поступательного движения в плоскости, перпендикулярной траектории потока, имеющую в указанном отверстии зафиксированную сменную защитную шиберную вставку, и шток для крепления с рукояткой, согласно решению, на рабочей поверхности шибера имеется двухслойное покрытие, где первый слой состоит из смеси наночастиц карбида титана и наночастиц оксида алюминия в количественном соотношении 3:1 и имеет толщину 260-280 мкм, а второй слой выполнен в виде сверхтвердой алмазоподобной пленки толщиной 110-120 нм, при этом твердость двухслойного покрытия составляет 35-36 ГПа.The stated problem is solved due to the fact that in the proposed design of a gate valve with a wear-resistant and corrosion-resistant coating, containing a plate with an opening for regulating the flow of liquid through the valve, made with the possibility of reciprocating movement in a plane perpendicular to the flow trajectory, having a replaceable protective gate insert fixed in said opening, and a rod for fastening with a handle, according to the solution, on the working surface of the gate valve there is a two-layer coating, where the first layer consists of a mixture of titanium carbide nanoparticles and aluminum oxide nanoparticles in a quantitative ratio of 3:1 and has a thickness of 260-280 μm, and the second layer is made in the form of a superhard diamond-like film with a thickness of 110-120 nm, while the hardness of the two-layer coating is 35-36 GPa.

Конструкция шибера с износостойким и коррозионно-устойчивым покрытием изготовлена из конструкционных сталей. Формирование первого слоя двухслойного покрытия осуществляется способом наплавки путем расплавления смеси наночастиц карбида титана и наночастиц оксида алюминия под воздействием непрерывного лазерного излучения. Формирование второго слоя в виде сверхтвердой алмазоподобной пленки осуществляется ионно-лучевой обработкой в вакуумной среде углекислого газа пучком ионов аргона.The damper structure, with a wear- and corrosion-resistant coating, is made of structural steel. The first layer of the two-layer coating is formed by surfacing, melting a mixture of titanium carbide nanoparticles and aluminum oxide nanoparticles under continuous laser radiation. The second layer, a superhard diamond-like film, is formed by ion-beam treatment in a carbon dioxide vacuum environment with an argon ion beam.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На фиг. 1 приведена конструкция шибера с износостойким и коррозионно-устойчивым покрытием,Fig. 1 shows the design of a gate valve with a wear-resistant and corrosion-resistant coating,

где 1 - пластина, 2 - отверстие шибера, 3 - сменная защитная шиберная вставка, 4 - шток, 5 - рабочая поверхность шибера, 6 - двухслойное покрытие, где первый слой состоит из смеси наночастиц карбида титана и наночастиц оксида алюминия, а второй слой выполнен в виде сверхтвердой алмазоподобной пленки.where 1 is a plate, 2 is a gate opening, 3 is a replaceable protective gate insert, 4 is a rod, 5 is the working surface of the gate, 6 is a two-layer coating, where the first layer consists of a mixture of titanium carbide nanoparticles and aluminum oxide nanoparticles, and the second layer is made in the form of a superhard diamond-like film.

Осуществление полезной моделиImplementation of a utility model

Шибер с износостойким и коррозионно-устойчивым покрытием (фиг. 1) имеет в пластине 1 отверстие 2 для прохождения потока жидкости через задвижку. В отверстии 2 зафиксирована сменная защитная шиберная вставка 3. Пластина 1 имеет рабочую поверхность 5, подверженную абразивному и коррозионному воздействиям во время эксплуатации шибера. Пластина 1 шибера посредством штока 4 соединяется с рукояткой шиберной задвижки (на фигуре не показана).A gate valve with a wear-resistant and corrosion-resistant coating (Fig. 1) has an opening 2 in plate 1 for fluid flow through the valve. A replaceable protective gate insert 3 is fixed in opening 2. Plate 1 has a working surface 5, which is exposed to abrasive and corrosive influences during operation of the gate valve. Plate 1 of the gate valve is connected to the handle of the gate valve via rod 4 (not shown in the figure).

На рабочей поверхности 5 имеется двухслойное покрытие 6, где первый слой состоит из смеси наночастиц карбида титана и наночастиц оксида алюминия, а второй слой выполнен в виде сверхтвердой алмазоподобной пленки, который получен в результате ионно-лучевой обработки в вакуумной среде углекислого газа пучком ионов аргона. Двухслойное покрытие 6 имеет твердость в диапазоне значений 35-36 ГПа и обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и долговечности конструкции шибера за счет повышения износостойкости и коррозионной устойчивости его рабочей поверхности 5.The working surface 5 has a two-layer coating 6, the first layer of which consists of a mixture of titanium carbide nanoparticles and aluminum oxide nanoparticles, and the second layer is a superhard diamond-like film produced by ion-beam treatment in a carbon dioxide vacuum environment with an argon ion beam. The two-layer coating 6 has a hardness in the range of 35-36 GPa and improves the operational reliability and durability of the damper structure by enhancing the wear and corrosion resistance of its working surface 5.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Для перекачки жидкости включают насос и перемещают шибер из положения Закрыто в положение Открыто. Шибер перемещается в плоскости, перпендикулярной траектории потока, между открытым положением, в котором жидкость протекает через отверстие 2 со сменной защитной шиберной вставкой 3, и закрытым положением, в котором поток жидкости ограничен. Управление перемещением шибера осуществляется с помощью штока 4, соединенного с рукояткой задвижки (на фигуре не показана).To pump liquid, the pump is turned on and the gate valve is moved from the closed position to the open position. The gate valve moves in a plane perpendicular to the flow path, between the open position, in which liquid flows through the opening 2 with the replaceable protective gate insert 3, and the closed position, in which the liquid flow is restricted. The gate valve's movement is controlled by rod 4, connected to the valve handle (not shown in the figure).

Наличие на рабочей поверхности 5 пластины 1 двухслойного покрытия 6, где первый слой состоит из смеси наночастиц карбида титана и наночастиц оксида алюминия, а второй слой выполнен в виде сверхтвердой алмазоподобной пленки, обеспечивает ее повышенную износостойкость и коррозионную устойчивость, что, в свою очередь, приводит к повышению долговечности конструкции.The presence of a two-layer coating 6 on the working surface 5 of the plate 1, where the first layer consists of a mixture of titanium carbide nanoparticles and aluminum oxide nanoparticles, and the second layer is made in the form of a superhard diamond-like film, ensures its increased wear resistance and corrosion resistance, which, in turn, leads to an increase in the durability of the structure.

Исследования показали, что оптимальными значениями параметров проведения процесса лазерной наплавки смеси наночастиц карбида титана и наночастиц оксида алюминия в количественном соотношении 3:1 на рабочую поверхность шибера являются следующие: мощность лазерного излучения в непрерывном режиме воздействия 16-18 Вт, диаметр лазерного пятна 0,7-1,0 мм, скорость обработки 100-150 мм/с. При уменьшении значений указанных параметров эффект упрочнения не наблюдается, а при их увеличении первый слой двухслойного покрытия характеризуется грубой, неоднородной структурой, обусловленной образованием множества дефектных участков в виде пережогов и наплывов. В указанном диапазоне параметров происходит расплавление наночастиц карбида титана и наночастиц оксида алюминия под воздействием непрерывного лазерного излучения и формирование слоя толщиной 260-280 мкм. Количественное соотношение наночастиц карбида титана и наночастиц оксида алюминия 3:1 в смеси установлено экспериментальным путем и является наиболее целесообразным для получения слоя с повышенными значениями износостойкости и коррозионной устойчивости.Research has shown that the optimal parameters for laser cladding a mixture of titanium carbide nanoparticles and aluminum oxide nanoparticles in a 3:1 ratio onto the working surface of a damper are as follows: continuous laser power of 16-18 W, laser spot diameter of 0.7-1.0 mm, and processing speed of 100-150 mm/s. Decreasing these parameters does not result in a strengthening effect, while increasing them results in the first layer of the two-layer coating having a rough, non-uniform structure due to the formation of numerous defective areas such as burnouts and overflows. Within this range of parameters, the titanium carbide nanoparticles and aluminum oxide nanoparticles melt under the influence of continuous laser radiation, forming a layer 260-280 μm thick. The quantitative ratio of titanium carbide nanoparticles and aluminum oxide nanoparticles of 3:1 in the mixture was established experimentally and is the most appropriate for obtaining a layer with increased wear resistance and corrosion resistance.

Исследования показали, что оптимальными значениями ионно-лучевого формирования второго слоя двухслойного покрытия в виде сверхтвердой алмазоподобной пленки в вакуумной среде углекислого газа пучком ионов аргона являются следующие: доза ионов аргона Ф=3500 мкКл/см², энергия Е=75 кэВ. В результате ионно-лучевой обработки в вакуумной среде углекислого газа пучком ионов аргона образуется сверхтвердый алмазоподобной слой. При энергетическом воздействии имплантируемых ионов аргона в углеродсодержащей среде в поверхностном слое адсорбированных молекул углекислого газа происходят процессы диссоциации и ионизации молекул. Это приводит к возникновению заряженных радикалов, синтез которых стимулируется энергетическим воздействием внедряемых ионов аргона с характерным профилем распределения и контролируется поступлением электронов из нижележащего металла. По мере увеличения толщины получаемого алмазоподобного слоя поступление электронов к поверхности затрудняется и при достижении толщины 120 нм рост слоя прекращается.Studies have shown that the optimal values for ion-beam formation of the second layer of a two-layer coating in the form of a superhard diamond-like film in a vacuum environment of carbon dioxide using an argon ion beam are as follows: argon ion dose F = 3500 μC/ ^cm2 , energy E = 75 keV. Ion-beam processing in a vacuum environment of carbon dioxide using an argon ion beam results in the formation of a superhard diamond-like layer. When exposed to the energetic action of implanted argon ions in a carbon-containing environment, dissociation and ionization of molecules occur in the surface layer of adsorbed carbon dioxide molecules. This leads to the formation of charged radicals, the synthesis of which is stimulated by the energetic action of the implanted argon ions with a characteristic distribution profile and is controlled by the influx of electrons from the underlying metal. As the thickness of the resulting diamond-like layer increases, the flow of electrons to the surface becomes difficult, and when a thickness of 120 nm is reached, the growth of the layer stops.

При уменьшении или превышении значений вышеприведенных параметров процесса ионно-лучевой обработки упрочненной рабочей поверхности шибера в вакуумной среде углекислого газа пучком ионов аргона выраженный эффект упрочнения не наблюдается. В указанном диапазоне параметров происходит формирование сверхтвердого алмазоподобного слоя толщиной 110-120 нм.When the above parameters are exceeded or reduced, no significant hardening effect is observed for ion-beam treatment of the hardened working surface of a gate valve in a vacuum environment with carbon dioxide and an argon ion beam. Within the specified parameter range, a superhard diamond-like layer 110-120 nm thick is formed.

Двухслойное покрытие имеет величину твердости 35-36 ГПа, а компоненты, входящие в его состав, обладают высокими защитными свойствами, что обеспечивает повышение стойкости рабочей поверхности шибера к абразивному изнашиванию в 1,5 раза и повышение коррозионной устойчивости в агрессивных средах в 2,5 раза. Это, в свою очередь, приводит к повышению эксплуатационной надежности и долговечности конструкции шибера.The two-layer coating has a hardness of 35-36 GPa, and its components possess high protective properties, increasing the damper's working surface's resistance to abrasive wear by 1.5 times and its corrosion resistance in aggressive environments by 2.5 times. This, in turn, leads to increased operational reliability and durability of the damper structure.

Таким образом, предложенная конструкция шибера с износостойким и коррозионно-устойчивым покрытием, обладает повышенной стойкостью к механическому и коррозионному видам разрушений рабочей поверхности за счет чего существенно повышается эксплуатационная надежность конструкции и значительно увеличивается срок эксплуатации шибера без проведения восстановительного ремонта либо его замены.Thus, the proposed design of the damper with a wear-resistant and corrosion-resistant coating has increased resistance to mechanical and corrosive types of destruction of the working surface, due to which the operational reliability of the structure is significantly increased and the service life of the damper is significantly increased without carrying out repairs or its replacement.

Claims

A gate valve with a wear-resistant and corrosion-resistant coating, comprising a plate with an opening for regulating the flow of liquid through a valve, made with the possibility of reciprocating movement in a plane perpendicular to the flow trajectory, having a replaceable protective gate insert fixed in said opening, and a rod for fastening with a handle, characterized in that on the working surface of the gate valve there is a two-layer coating, where the first layer consists of a mixture of titanium carbide nanoparticles and aluminum oxide nanoparticles in a quantitative ratio of 3:1 and has a thickness of 260-280 μm, and the second layer is made in the form of a superhard diamond-like film with a thickness of 110-120 nm, wherein the hardness of the two-layer coating is 35-36 GPa.