В технологическом оборудовании химических предприятий наиболее широко используется запорная арматура. Для трубопроводов малых диаметров прохода обычно используются запорные клапаны, для трубопроводов больших диаметров – задвижки. Краны запорные и поворотные затворы применяются ограниченно.
Условия работы запорной арматуры характерны тем, что в подавляющем большинстве случаев она находится в состоянии ответственного ожидания в закрытом или открытом положении. Использование запорной арматуры для частой смены циклов технологического процесса имеет место сравнительно редко.
При этом, в условиях напряженно-деформированного состояния деталей затвора и других деталей запорной арматуры, их коррозионно-механического изнашивания в процессе эксплуатации, происходит изменение исходных значений геометрических параметров межконтактного пространства в затворе, определяющего, при прочих равных условиях, внутреннюю герметичность арматуры. Изменение высоты, ширины и среднего диаметра межконтактного пространства в затворе во времени связано с износом деталей затвора и других деталей арматуры.
С учетом режима работы затвора, определяющего характер и время износа, в состоянии ответственного ожидания запорной арматуры в закрытом положении, характерно изнашивание деталей затвора в результате фреттинг-коррозии. Первоначально контактирование деталей затвора происходит в отдельных точках, сумма которых характеризует фактическую площадь контакта. Вибрации технологических систем, в состав которых входит и арматура, приводит к малым колебательным перемещениям деталей затвора относительно друг друга. Амплитуда колебаний составляет 0,025…2,5 мкм, при этом средняя относительная скорость движения контактирующих уплотнительных поверхностей невелика.
Как результат, при вибрации окисные пленки в зоне фактического контакта разрушаются, образуются впадины. Процесс разрушения представляет собой диспергирование поверхности без удаления продуктов износа. Впадины постепенно увеличиваются в размерах и сливаются в одну общую. Дополнительным источником повреждения поверхности может являться местное «схватывание» сопряженных деталей затвора.
Цепи атомов вначале искажаются при скольжении, а затем разрываются, что приводит к отрыву отдельных блоков атомов кристаллической решетки и служит источником зарождения усталостных трещин. Отдельные трещины сливаются, и происходит откалывание части металла. При этом процессы, протекающие при фреттинг-коррозии, приводят к интенсивному изменению высоты межконтактного пространства.
В состоянии ответственного ожидания запорной арматуры в открытом положении происходит абразивное изнашивание деталей затвора. При данном режиме работы затвор находится в открытом положении и изнашивание деталей осуществляется свободными абразивными частицами, вовлеченными в поток жидкостью или газом. При этом важным является учет агрессивности рабочей среды. Реальная скорость коррозии определяется состоянием поверхности уплотнений и особенностями структуры материала, температурой, составом и скоростью движения среды, механическими напряжениями. В этой связи отсутствуют абсолютные показатели коррозионной стойкости металлов.
Так как коррозионный процесс имеет гетерогенный характер, его скорость определяется основными стадиями: доставкой частицы (иона, молекулы) к поверхности металла, взаимодействием доставленной частицы с металлом, отводом продуктов взаимодействия от поверхности металла. Для деталей затвора запорной арматуры доставка коррозионно-активных ионов, молекул к металлу привалочной поверхности осуществляется диффузией.
Аналогично можно оценить и отвод продуктов коррозии от поверхности металла. Скорость диффузии в соответствии с законом Фика зависит от градиента концентрации, коэффициента диффузии, а также площади уплотнения затвора. Коэффициент диффузии при этом возрастает с увеличением температуры транспортируемой через арматуру среды.
Взаимодействие доставленной частицы с металлом характеризуется скоростью реакции, которая определяется константой скорости реакции концентрацией частиц, а также членом уравнения, характеризующим долю частиц, обладающих необходимой энергией активации.
Учитывая, что коррозия металла уплотнительной поверхности детали затвора происходит в условиях абразивного изнашивания, в целом интенсифицирующего доставку коррозионно-активных частиц и отвод продуктов коррозии, можно принять скорость коррозии равной скорости реакции, поскольку последняя больше скорости диффузии.
Коррозия интенсифицирует абразивный износ. На скорость абразивного изнашивания деталей затвора влияют как свойства абразивных частиц и изнашиваемых поверхностей, так и характер ударного взаимодействия частиц и металла.