Opravljena je bila sistematična analiza okvare stebla triekscentrične metuljaste lopute sistema za črpanje plina in stebla zaporne lopute drenažnega sistema v rudniku Sangshuping št. 2 in ugotovljeno je bilo, da je glavni vzrok okvare enakomerna korozija medijev, kot so H2S, CO2 in SO2. Da bi izboljšali korozijsko odpornost stebla ventila, je bil predlagan načrt popravila laserske obloge zlitine Inconel 625 (prah in žica) na njegovi površini. Sistematično mikrostrukturno opazovanje, test kemične sestave, test mikrotrdote in elektrokemijski test so bili izvedeni na laserska obloga sloj, da ocenite njegovo zanesljivost. Rezultati kažejo, da je porazdelitev mikrostrukture žice Inconel 625 in slojev praškastega oplaščenja podobna. Mikrostruktura obloge je dendritna, ki se dobro veže na podlago brez razpok in por. Vsebnost Cr v interdendritičnem območju ovojne plasti je višja kot v intradendritičnem območju, med dendriti pa so oborine, bogate z Nb. Celotna porazdelitev elementov plasti obloge je razmeroma enakomerna, glavni elementi, kot so Ni, Cr, Fe, Mo in Nb, pa kažejo prehodno porazdelitev med osnovnim materialom na vmesniku. Trdota plasti obloge Inconel 625 je nekoliko višja od trdote osnovnega materiala, potencial samokorozije pa je višji kot pri osnovnem materialu. Gostota samokorozijskega toka Icorr (8.62×10′-7A/cm2) plasti obloge je nižja kot pri osnovnem materialu (8.23×10′-6A/cm2). Po namestitvi enakovrednega vezja je upornost prenosa naboja plasti obloge Inconel 625 9.9 × 104 Ω·cm2, kar je veliko več kot 2.6 × 103 Ω·cm2 osnovnega materiala, kar kaže, da je odpornost proti koroziji plasti obloge boljša kot pri substratu. Popravljena struktura stebla ventila je v premogovniku delovala 6 mesecev brez okvare zaradi korozije in še vedno normalno deluje, medtem ko je neobdelana struktura stebla ventila po 1 mesecu delovanja odpovedala koroziji, kar kaže, da ima obloga Inconel 625 dobro odpornost zaščitni učinek na material stebla ventila.

Metuljasti ventil je ventil, ki uporablja krožno metuljasto ploščo kot element za odpiranje in zapiranje in se vrti skupaj s steblom ventila, da odpira, zapira in prilagaja kanal za tekočino [1]. Trojni ekscentrični metuljasti ventil temelji na dvojnem ekscentričnem metuljnem ventilu, pri čemer je tesnilna površina sedeža ventila zamaknjena pod določenim kotom. Njegova tesnilna površina sedeža ventila je stožčasta površina. Tesnilo ventilske plošče se bo ločilo od tesnilne površine sedeža ventila, ko se odpre, in med njima skoraj ni trenja. V primerjavi z dvojno ekscentrično loputo se močno izboljšata tesnilna zmogljivost in življenjska doba lopute [2]. Struktura trojnega ekscentričnega dušilnega ventila je prikazana na sliki 1a. Klinasti zaporni ventil uporablja vrata kot element za odpiranje in zapiranje. Pri delu je smer gibanja vrat pravokotna na smer tekočine. Klinasti zaporni ventil na splošno zaključi odpiranje in zapiranje ventila s premikanjem stebla ventila navzgor in navzdol [3-5]. Klinasti zasun ima dobro tesnjenje, ker je njegova tesnilna površina ventila pod določenim kotom glede na navpično srednjico, tako da lahko prenese večji pritisk. Struktura klinastega ventila je prikazana na sliki 1b. Na splošno imajo stebla ventila tri-ekscentričnega metuljastega ventila in klinastega ventila (kot je prikazano s puščico na sliki 1) dobro korozijsko odpornost in odpornost proti obrabi po kaljenju in površinskem nitriranju.

Vendar pa so zgornje strukture med svojo življenjsko dobo zaradi vse slabšega delovnega okolja pod zemljo utrpele resno korozijsko okvaro [6]. Metuljasta loputa za pridobivanje plina je glavna oprema za nadzor in dušenje podzemnega sistema za pridobivanje plina v premogovnikih, klinasti zaporni ventil za dovod vode in odvodnja pa je glavna oprema za podzemni sistem za oskrbo z vodo in odvodnjavanje v premogovnikih. Steblo ventila je vrtljivo jedro zgornje opreme, njegova zanesljivost in stabilnost pa sta ključnega pomena za varnost proizvodnje.

Ta članek sistematično analizira okvaro stebla metuljaste lopute in stebla zaporne lopute v obratovanju v rudniku Sangshuping št. 2 in predlaga rešitev za izboljšanje korozijske odpornosti stebla ventila z lasersko oplaščenjem zlitine Inconel 625 na podlagi rezultatov analize. Zlitina Inconel 625 spada v sistem zlitin Ni-Cr-Mo in ima odlično odpornost proti oksidacijski koroziji [7-10]. Lasersko oplaščenje ima značilnosti majhne toplotno prizadete cone in odlične mehanske lastnosti oblikovanih delov. To je prednostna metoda za površinsko popravilo okvarjenih konstrukcijskih delov [11-14]. Zanesljivost obloge je bila celovito ovrednotena s sistematičnim mikrostrukturnim opazovanjem, kemijsko sestavo, testom mikrotrdote in elektrokemičnim preizkusom laserske obloge.

1 Analiza napak

Iz videza razstavljenega stebla lopute in stebla zapornega ventila (slika 2) je razvidno, da je korozija na površini obeh stebel ventila razmeroma resna, predvsem luknjičasta korozija. Steblo gredi ventila je bilo preizkušeno glede kemične sestave in potrjeno, da je njegov material nerjavno jeklo 2Cr13. Glavni vzrok okvare je: steblo ventila je v neposrednem stiku z odprtino gredi brez izolacije in visokotemperaturni medij (H2S, CO2, SO2 itd.) v delovnem okolju prodre v režo med steblom ventila in luknja gredi, ki tvori korozijo vrzeli, material stebla ventila pa ima šibko sposobnost upreti se zgoraj omenjenemu korozivnemu mediju.

2 Eksperimentalni materiali in metode

2.1 Lasersko popravilo obloge

Podlaga stebla ventila stare lopute je 2Cr13, laserska obloga pa uporablja žico Inconel 625 s specifikacijo žice 1.2 mm. Kemična sestava materiala je prikazana v tabeli 1. Vsako steblo ventila stare lopute ima dva dela s specifikacijami 55 mm × 200 mm oziroma 55 mm × 468 mm. Pred laserskim oplaščanjem se površina starega stebla ventila struži, da se odstrani 0.5 mm debeline, nato pa se na stružen del lasersko placira žica Inconel 625 s plastjo oplaščenja debeline 1.2 mm. Nazadnje je steblo ventila strojno obdelano, da se povrne na prvotno velikost. Žična laserska obloga
Uporabljena moč je 2500 W, hitrost oblaganja 14 mm/s, premer točke 4.5 mm. Morfologija žice stebla lopute pred in po laserski oblogi je prikazana na sliki 3.

Stari zaporni ventil je bil razstavljen in njegov material je bil 17-4PH. Za lasersko oblogo je bil uporabljen prašek Inconel 625. Morfologija prahu je prikazana na sliki 4. Sferičnost prahu je dobra in velikost delcev je 150 ~ 300 mesh.

Specifikacije razstavljenega starega stebla ventila so 38×360 mm. Pred laserskim oblaganjem smo del, ki smo ga oblagali, odrezali za 0.5 mm debeline, nato pa struženi del lasersko obložili s prahom Inconel 625. Debelina obloge je bila 1.2 mm. Moč prašnega laserskega oblaganja je bila 2500 W, hitrost oblaganja 40 mm/s, hitrost podajanja prahu 1.2 r/min, razdalja podajanja 1.6 mm, velikost točke 4 mm × 4 mm. Morfologija praška stebla zapornega ventila pred in po laserski oblogi je prikazana na sliki 5.

2.2 Eksperimentalna metoda

Mikrostrukturo preseka laserske žice in plasti laserske praškaste obloge smo analizirali z optičnim mikroskopom Olympus. Za opazovanje mikrostrukture ovojnega sloja smo uporabili Zeissov poljsko-emisijski vrstični elektronski mikroskop, za določitev sestave mikroregij pa s sondo EDS. Mikrotrdoto prereza obloge smo testirali z mikro-Vickersovim merilnikom trdote. Preizkusna obremenitev je bila 300 g, čas zadrževanja 15 s, razmik merilnih točk plasti obloge je bil 100 μm, razmik merilnih točk osnovnega materiala pa 200 μm. Elektrokemični preizkus plasti obloge je bil izveden na delovni postaji za elektrokemijsko testiranje serije Shanghai Chenhua CHI600E. Sistem s tremi elektrodami je bil izbran za oceno elektrokemičnega obnašanja vsake plasti obloge. Platinasta mreža in Ag/AgCl sta bila uporabljena kot pomožna in referenčna elektroda v tem testu, 3.5 % NaCl pa je bil izbran kot elektrolit, uporabljen v testu.

3 Rezultati in razprava

3.1 Analiza organizacije

3.1.1 Analiza metalografske organizacije

Sliki 6 in 7 sta metalografski strukturi žice in praškastega laserskega plašča Inconel 625. Plasti obloge so vse dendritne strukture, ki so dobro povezane z osnovnim materialom, brez razpok in napak v porah. Kot je razvidno iz slik 6b in 7b, srednji del ovojne plasti predstavlja enakoosno kristalno morfologijo. To je zato, ker je podajalna razdalja manjša od premera točke med postopkom laserskega oplaščanja z žico in prahom, slednji sloj oplaščenja pa popolnoma pretali prejšnji sloj oplaščenja. Ni očitne razlike v metalografski strukturi med plastmi oplaščenja z žico Inconel 625 in praškastim laserjem.

3.1.2 Vrstična elektronska mikroskopija in EDS analiza

Za opazovanje vezne plast žične obloge Inconel 625/podlage in srednjega območja ovojne plasti je bila uporabljena poljska emisijska elektronska mikroskopija, kot je prikazano na sliki 8.

Rezultati preskusa EDS spektra tipičnega območja na sliki 8 so prikazani v tabeli 2. V kombinaciji z rezultati preskusa spektra je struktura plasti žične obloge blizu vmesnika v glavnem fina morfologija dendritov, med katerimi je vsebnost Fe v območju blizu do vmesnika osnovnega materiala (spekter 1) je relativno visoka (15.37 mas. %); štrleče interdendritično območje (spekter 2) se primerja z območjem dendrita (spekter 3) in obstaja obogatitev elementov Mo in Nb. V srednjem območju obloge je vsebnost Cr v interdendritnem območju (spekter 4) nekoliko višja kot v dendritnem območju (spekter 5); v interdendritičnem območju je svetla, zrnata oborinska faza, rezultati testa spektra EDS pa kažejo, da gre za fazo, bogato z Nb (spekter 6). S pomočjo zgornjih podatkov EDS je izračunana stopnja redčenja žične laserske oplaščene plasti približno 4%~5%.

Na sliki 9 so prikazani rezultati opazovanja z vrstičnim elektronskim mikroskopom z emisijami polja za plast laserske obloge v prahu, tabela 3 pa prikazuje rezultate zaznavanja spektra EDS na tipičnem območju. Organizacija in porazdelitev elementov plasti praškastega laserskega oplaščenja sta podobni kot pri žičnem laserskem oplaščenem sloju. V bližini vmesnika matičnega materiala je vsebnost Cr v interdendritičnem območju (spekter 1) nekoliko višja kot v dendritnem območju (spekter 2), v interdendritičnem območju (spekter 3) pa je oborinska faza, bogata z Nb. . V srednjem območju ovojne plasti je svetla oborinska faza, bogata z Nb (spekter 6), porazdeljena v dendritih na zrnat način; vsebnosti Cr, Mo in Nb v intradendritičnem območju (spekter 5) so nekoliko nižje od tistih v interdendritičnem območju (spekter 4). S pomočjo zgornjih podatkov EDS je izračunana stopnja redčenja plasti praškaste laserske obloge približno 5%~6%, kar je blizu stopnji redčenja plasti žične obloge. Zaradi koncentrirane gostote energije laserskega vira toplote je struktura dendritov zgornjih dveh plasti obloge razmeroma fina.

Slika 10 prikazuje rezultate črtnega skeniranja EDS plasti laserske obloge. Ker je porazdelitev mikrostrukture sloja žične obloge in plasti prašnega ovoja podobna, je prikazana samo porazdelitev elementov sloja prašnega ovoja. Vidimo lahko, da je celotna porazdelitev sestave ovojnega sloja enakomerna, z lokalnimi nihanji (faza padavin, bogata z Nb med dendriti). Na vmesniku je značilna porazdelitev prehoda med glavnimi elementi Ni, Cr, Fe, Mo in Nb plasti obloge in osnovnim materialom.

3.2 Preskus mikrotrdote

Da bi določili spremembe zmogljivosti žičnih in praškastih laserskih oplaščenih plasti Inconel 625 vzdolž smeri debeline, so bili na njih izvedeni mikro-Vickersovi preskusi trdote, rezultati preskusa pa so prikazani na sliki 11. Preskus mikrotrdote se začne od podlage, pravokotno v smeri debeline in se konča na zunanji površini obloge. Vidimo lahko, da je vrednost trdote na substratu nizka in se giblje od 140 do 180 HV0.3. Trdota laserske oplaščene plasti je višja od trdote podlage, med katerimi je trdota praškaste laserske oplaščene plasti (povprečna vrednost 254 HV0.3) nekoliko višja od trdote žične laserske oplaščene plasti (povprečna vrednost 248 HV0.3). To je predvsem zato, ker je bazen staljene plasti med postopkom praškastega laserskega oplaščanja majhen, temperaturni gradient pa je razmeroma velik, ko se bazen tekoče staline strdi, kar ima za posledico finejšo strukturo plasti obloge. Poleg tega je toplotni učinek laserske obloge (prah ali žica) na substrat majhen in sprememba trdote območja toplotnega vpliva substrata ni očitna.

3.3 Preskus elektrokemične učinkovitosti

Rezultati elektrokemičnega testiranja plasti praškastega laserskega plašča Inconel 625 in substratnega materiala so prikazani na sliki 12. Iz polarizacijske krivulje na sliki 12a je razvidno, da je potencial samokorozije plaščnega sloja Ecorr=-0.399 V, kar je višji od potenciala samokorozije osnovnega materiala Ecorr=-0.872 V; istočasno je gostota samokorozijskega toka plaščnega sloja Inconel 625 Icorr=8.62×10′-7A·cm'-2 nižja kot pri osnovnem materialu Icorr=8.23×10′-6A·cm'- 2, kar kaže, da je korozijska odpornost plasti obloge bistveno boljša kot pri osnovnem materialu. Iz krivulje impedance na sliki 12b je razvidno, da spektra impedance izmeničnega toka osnovnega materiala in ovojne plasti Inconel 625 kažeta en sam kapacitivni lok, kar kaže, da je proces reakcije elektrode nadzorovan s prenosom naboja. Večji kot je polmer kapacitivnega obloka, boljša je odpornost proti koroziji. Po namestitvi enakovrednega vezja je upornost prenosa naboja ovojne plasti Inconel 625 Rct=9.9×104 Ω·cm2, kar je veliko višje od Rct=2.6×103 Ω·cm2 osnovnega materiala. Zgornji rezultati preskusa kažejo, da lahko nanos zlitine Inconel 625 na površino osnovnega materiala močno izboljša odpornost delov proti koroziji in s tem podaljša njihovo življenjsko dobo.

Steblo metuljaste lopute in steblo zaporne lopute, popravljeno z zgornjima dvema postopkoma laserske oplaščenja, sta 6 mesecev delovala pod zemljo brez korozije, medtem ko je neobdelano steblo ventila korozijsko odpovedano po 1 mesecu delovanja, kar kaže, da je plast laserske oplaščenja Inconel 625 ima dober zaščitni učinek na material stebla ventila.

4 Sklepi in predlogi

Ta članek sistematično analizira okvaro strukture stebla ventila ključnih vrtljivih delov metuljastih loput in zapornih ventilov, ki se uporabljajo v rudniku. Glavni vzrok okvare je enakomerna korozija pod jedkimi mediji, kot so H2S, CO2 in SO2. Glede na to je predlagana shema popravila laserske obloge zlitine Inconel 625 na površini zgoraj omenjenega okvarjenega stebla ventila. Izvedeno je bilo oplaščanje z žico Inconel 625 oziroma prašno oblaganje, zanesljivost pripravljene oplaščene plasti pa je bila ovrednotena s celovito analizo mikrostrukture, kemijske sestave, mikrotrdote in rezultatov elektrokemijskih testov. Pridobljeni so bili naslednji glavni zaključki:

(1) Opazovanje metalografske strukture kaže, da sta struktura obloge z žičnim laserjem in plasti s praškastim laserjem obe dendritni strukturi in da je obloga dobro vezana na matriko osnovnega materiala ter ni opaziti razpok in por. Dovodna razdalja, ki se uporablja v procesu laserskega oplaščanja, je manjša od velikosti točke, dobljene plasti oplaščenja (žica in prah) pa kažejo enakoosno kristalno strukturo.

(2) Vrstična elektronska mikroskopija z emisijami polja in analiza EDS kažeta, da je obnašanje segregacije elementov v sloju oplaščenja z žičnim laserjem in sloju oplaščenja praškastega laserja podobno. Vsebnost Cr v interdendritični regiji je višja kot v intradendritični regiji, v interdendritični regiji pa obstajajo svetle oborine, bogate z Nb. Celotna kemična sestava prevleke je enakomerno porazdeljena in obstaja prehodna porazdelitev med glavnimi elementi Ni, Cr, Fe, Mo, Nb in osnovnim materialom na vmesniku.

(3) Rezultati preskusa mikrotrdote kažejo, da je trdota praškaste laserske oplaščene plasti (povprečna vrednost 254 HV0.3) nekoliko višja od trdote žične laserske oplaščene plasti (povprečna vrednost 248 HV0.3) in trdota vrednost na substratu je najnižja in se giblje od 140 do 180 HV0.3.

(4) Rezultati elektrokemičnega preskusa praškastega laserskega oplaščenega sloja kažejo, da je samokorozijski potencial plaščnega sloja Inconel 625 višji od potenciala osnovnega materiala in gostoto samokorozijskega toka plaščnega sloja Icorr (8.62 × 10′-7A·cm'-2) nižja kot pri osnovnem materialu Icorr (8.23×10′-6A·cm'-2). Upornost prenosa naboja Rct plasti obloge Inconel 625, dobljena po namestitvi ekvivalentnega vezja, je 9.9 × 10'4Ω·cm'2, kar je veliko višje od osnovnega materiala Rct 2.6 × 10'3Ω·cm2, kar kaže, da je odpornost proti koroziji sloja obloge je boljši od sloja podlage.

Popravljeno steblo metuljastega ventila in steblo zapornega ventila sta v rudniku služila 6 mesecev brez napak, medtem ko je neobdelano steblo ventila odpovedalo po 1 mesecu servisiranja, kar kaže, da je Inconel 625 laserska obloga ima dober zaščitni učinek na material stebla ventila.