С.В.Сейнов - президент-научный руководитель НПО «ГАКС-АРМСЕРВИС», д.т.н., профессор, член-корр. РАПК
 
СТРУКТУРА СИСТЕМЫ  ИСПЫТАНИЙ И АНАЛИЗ УПРАВЛЯЮЩИХ И ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ
В практике изготовления и входного контроля трубопроводной арматуры ее испытания рассматриваются как последний этап цикла изготовления, придавая ему только сугубо контрольные функции. При этом полностью игнорируются важнейшие функционально-информационные свойства этого процесса. Именно они открывают возможность высокой достоверности в оценке результатов испытаний, определения направлений конструктивно-эксплуатационного, технологического и метрологического совершенствования, как объекта испытаний, так и самого процесса испытаний  и не только у изготовителя, но и у потребителя, осуществляющего испытания при входном контроле и на заключительном этапе процесса ремонта.
 
Ввиду того, что испытания арматуры являются модельным представлением эксплуатационных условий определенного уровня подобия, методология установления и поддержания этого подобия на каждом из этапов испытаний, должна базироваться не на индивидуализации формирования качества каждого отдельного производства (о чем указывалось ранее), а на глубоком изучении воспроизводимых при испытаниях физических явлений, функциональных связей, факторов, имеющих место в условиях эксплуатации, дальнейшем их обобщении и последующем воплощении в механизмах испытательных комплексов.
 
Важнейшие положения методологии формирования и сохранения подобия можно сформулировать в следующем виде:
- выявление физических процессов, происходящих в элементах арматуры при ее эксплуатации, выделение основных, оказывающих доминирующее влияние на эксплуатационные характеристики в различных производственных ситуациях;
- разработка обобщенной модели обеспечения (управления) качества объекта испытаний с декомпозицией модели на функционально обособленные подсистемы, характеризующие основные направления воздействия на объект с целью достижения заданного уровня показателей качества за счет управления входными параметрами и воздействиями при минимизации их изменений от дестабилизирующих факторов;
- на основе функциональных связей входных, управляющих и возмущающих воздействий с показателями качества установление количественных отношений, фиксирующих условия подобия применительно к частным задачам испытаний.
 
Результатом реализации указанных и других положений может быть создание структурной модели системы испытаний трубопроводной арматуры [1].Такая структурная модель представлена на (рис.1).
 
Рис.1. Структурная схема испытательной системы для трубопроводной арматуры
 
Центральным элементом этой испытательной системы является объект испытаний, который с помощью системы связей взаимодействует с функционально самостоятельными подсистемами А, В, С, D. Подсистема А характеризует входные параметры объекта испытаний, подсистема В - возмущающие воздействия на объект испытаний, подсистема С - управляющие воздействия на объект испытаний и подсистема D - выходные параметры или показатели качества.
 
Свойства подсистемы А определяются совокупностью параметров, которые оказывают непосредственное влияние на статические к(ст)) - герметичность в затворе  и динамические к(д)-ресурс герметичности в затворе, показатели качества трубопроводной арматуры. Имеется возможность их количественной оценки, они могут и должны измеряться. Для этих целей в состав подсистемы входит элемент, обеспечивающий их измерение. К этой совокупности, названной входными параметрами, отнесены ФМП (функциональные метрические параметры в виде: отклонений размеров (0), взаимного положения поверхностей, осей, центров (1), формы (2), волнистости (3), шероховатости (4)  и параметры материалов (м). В формализованном виде свойства с) подсистемы А можно записать:
           (1)
 
Возможность управления параметрами этой подсистемы в процессе испытании исключена. Оно может осуществляться только через технологический процесс изготовления, как результат реализации управляющего влияния через информационные каналы обратной связи от подсистемы D. Характерной особенностью этой совокупности параметров является то обстоятельство, что она одновременно является характеристикой качества (показателями качества) технологического процесса изготовления. Обращает внимание одно из очень важных свойств этих параметров - возможность оценки качества объекта испытаний на различных стадиях его жизненного цикла.
 
Подсистема В и ее свойства характеризуются параметрами и воздействиями, которые оказывают косвенное дестабилизирующее влияние на показатели качества, не во всех случаях возможна их количественная оценка и измерение. Их возмущающее и дестабилизирующее действие проявляется через изменение входных параметров. Все эти воздействия разделены на две основные группы. Первая характеризуется параметрами и воздействиями, которые могут быть воспроизведены техническими средствами испытательной системы. Вторая группа воздействий не может быть воспроизведена техническими средствами испытательной системы, но при испытаниях присутствует как свойства объекта испытаний.
 
К параметрам первой группы отнесены суммарные нагрузки (F), воспринимаемые привалочными поверхностями арматуры от действия температурных и монтажных деформаций, приводящих к возникновению растягивающих (Fраст), сжимающих сил (Fсж) и изгибающих моментов изг). Эти параметры должны в процессе испытаний измеряться, для чего в составе этой подсистемы имеется соответствующий элемент.
 
Вторая группа характеризуется такими воздействиями, которые чаще всего не могут быть измерены, зависят от многочисленных случайных и систематических факторов, проявляющихся в изменении исходных значений ФМП. Этими случайными и систематическими факторами являются жесткость функциональных узлов ж), различные виды износа (I) и т.д.
 
Свойства Вс подсистемы В оказывать воздействия на изменения входных параметров объекта  испытаний можно формализовать в следующем виде:
 
          (2)
 
Здесь 0(0), 1(0), 2(0), 3(0), 4(0), - исходные значения входных параметров (ФМП).
 
Подсистема С объединяет все управляющие воздействия, которые оказывают непосредственное влияние на показатели качества объекта испытания. Они оказывают  и косвенное влияние через изменения входных параметров. Имеется возможность количественной оценки управляющих воздействий и при испытаниях они измеряются. В процессе ведения испытаний, управляющие воздействия могут изменяться в соответствии с требуемой закономерностью. К управляющим воздействиям отнесены: давление (р), сила управления затвором (Fуп), характеристики испытательной среды следующие: - температура (Т), удельный вес ), динамическая вязкость (η), кинематическая вязкость (ν), скорость среды ср). По характеру воспроизведения этих воздействий они разделены на две группы - группу, которая воспроизводится техническими элементами испытательной системы, и группу, которая воспроизводится за счет свойств испытательной среды в объекте испытаний. Свойства Сс этой подсистемы могут быть формализованы как
 
         (3)
 
Здесь Ссо - свойство подсистемы С, оказывающее непосредственное влияние на показатели качества.
 
Подсистема D характеризует выходные параметры испытательной системы в виде показателей качества объекта испытаний. Выходные параметры есть следствие функционального взаимодействия трех подсистем А, В, С в объекте испытаний. Это взаимодействие порождает динамические и статические свойства объекта испытаний в виде динамических и статических показателей качества, которые выступают в виде свойств Dc подсистемы D. В формализованном виде свойства подсистемы можно выразить
 
          (4)
 
Здесь (Пк1(ст)), (Пк2(ст)), ..., (Пкi(ст)- текущие статические показатели качества объекта испытаний;
(Пк1(Д)), (Пк2(Д)), ..., (Пкi(Д)- текущие динамические показатели качества объекта испытаний;
АС1, АС2, ..., АСi - текущее проявление свойств подсистемы «А», оказывающее непосредственное влияние на статические и динамические показатели качества объекта испытаний;
BС1, BС2, ..., BСi - текущее проявление свойств подсистемы «В», оказывающее влияние на статические и динамические показатели качества объекта испытаний через нарушения стабильности входных параметров, происходящих в процессе испытаний;
CС1, CС2, ..., CСi - текущее проявление свойств подсистемы «С», оказывающее влияние на статические и динамические показатели качества объекта испытаний через нарушения стабильности входных параметров, происходящих в процессе испытаний;
τ1, τ2, ..., τi - время, в течение которого ведется процесс испытаний, когда подсистемы «А», «В», «С» оказывают влияние на статические и динамические показатели качества.
 
Анализируя формализованное представление элементов испытательной системы, их описание и взаимодействие, можно обратить внимание на обстоятельство, указывающее, что все они оказывают влияние на показатели качества (Пкi(ст); (Пкi(Д))) через воздействия на входные параметры объекта испытаний. Этими параметрами являются ФМП уплотнений, сформированными в процессе изготовления и которыми, как утверждается, невозможно управлять в процессе испытаний. Для понимания, казалось бы, противоречивого утверждения рассмотрим физическую сущность обеспечения герметичности, базируясь на применении законов гидродинамики жидких и газообразных сред [2]. Так как герметичность уплотнения затвора во всех практических случаях использования, подтверждаемая и нормативными документами [3], рассматривается как допустимая для условий эксплуатации утечка ([Q]), то необходимо рассмотрение расходных характеристик потока жидких или газообразных сред, прошедших через уплотнение затвора на основе материально-энергетических балансов, характеризуемых пропускной способностью (Fy) уплотнения затвора. После преобразования зависимостей, характеризующих законы гидродинамики применительно к решаемым задачам, функция материально-энергетического баланса в общем виде будет иметь вид
 
          (5)
 
где  Фс=ƒ (p, T, M ,U, γν ,ηρ, с) - комплекс физических составляющих, характеризующих агрегатное состояние транспортируемых сред (p - давление, T- температура, M – молекулярная масса газа, U – скорость потока, γ - удельный вес, ν - кинематическая вязкость, η - динамическая вязкость, ρ - плотность среды, с - постоянная);
RM=ƒ (h, b , l, H, A, a- комплекс геометрических характеристик межуплотнительного пространства (- высота, - ширина, l - длина каналов межуплотнительного пространства, H - периметр каналов, A - площадь  каналов, a - характеристика каналов).
 
Для частных случаев условие обеспечения заданной или регламентированной утечки (герметичности) в уплотнении затвора будет иметь вид
 
           (6)
 
           (7)
 
Здесь F(кр) – критическая пропускная способность уплотнения затвора, определенная условиями эксплуатации или регламентирующими документами. Она может выражаться в виде допустимой величины утечки ([Q]).
RM(кр) – комплекс геометрических характеристик (размеров) межуплотнительного пространства, позволяющий обеспечить необходимую (критическую) пропускную способность (утечку).
 
Представленная система выражений означает, что при всех условиях испытаний (или условий  эксплуатации) физическое состояние среды с) и время (τ)  не могут быть приравнены к нулю, так как задача теряет физический смысл. Пропускная способность F(у) может достигать предельного значения (F(у) = 0) только в том случае, если RM = 0.
 
Допустимые утечки ([Q]), характеризуемые выражением  Fу – F(кр) могут быть достигнуты, если Фс ≠ 0, τ ≠ 0, а RM будет находиться в диапазоне от 0 до RM(кр).
 
Геометрические характеристики межуплотнительного пространства (RM) могут принимать любые значения от 0 до RM(кр) по существу управляя утечкой (пропускной способностью) уплотнения затвора. RM = 0 – межуплотнительное пространство не имеет геометрических характеристик, что соответствует «идеальному» контакту в уплотнении или его отсутствию как такового. R= RM (кр) – межуплотнительное пространство имеет некие размерные характеристики, обеспечивающие критическую утечку (пропускную способность) уплотнения затвора в соответствии с поставленной задачей.
 
Для понимания природы возникновения утечек (пропускной способности), формирования межуплотнительного пространства, оценки его геометрических характеристик, механизма дестабилизации входных показателей системы испытаний арматуры необходимо провести функциональный анализ графо-аналитических моделей уплотнений затворов. Его результаты будут представлены в следующих частях этой статьи.
 
ЛИТЕРАТУРА:
1. Сейнов С.В. Испытания трубопроводной арматуры. М. Издательство стандартов, 1989, 160 с.
3. ГОСТ 9544-15. Арматура трубопроводная. Нормы герметичности затворов.