Фев 25, 2022
Трубопроводная арматура, как системный объект, представляет собой совокупность сборочных единиц и деталей, находящихся в определенной взаимосвязи и обеспечивающих по параметрам заданное функционирование.
В соответствии с оценкой трубопроводной арматуры как системного объекта ее конструкция рассматривается как иерархическая система, состоящая из структурных составляющих разного уровня. Для арматуры целевого назначения в общей постановке характерна структура с пятью уровнями иерархии: первый — арматура как элемент установки, второй — арматура как изделие, третий — сборочная единица, четвертый — деталь и пятый уровень — поверхность. При этом под поверхностью понимается не только характеристика формы по параметрам (геометрическим и материала), но также и их точность.
Для системной оценки рекомендуется использование трехуровневых структур, так как при таком построении системы облегчается решение задач оптимизации. Следовательно, при обеспечении качества системного объекта — арматуры целевого назначения — анализу подлежит ряд сочетаний структурных составляющих (табл. 1). Для них характерно, что при каждом последовательном рассмотрении арматуры как системы часть структурных составляющих остается вне ее, т.е. при каждом конкретном сочетании такие структурные составляющие не подвергаются анализу, что отвечает принципу количественной оценки альтернатив системного представления арматуры.
Таблица 1
|
Структурные составляющие
|
Сочетание структурных составляющих
|
||||
|
Технологическая установка (обслуживаемый элемент установки)
|
Система
|
Система
|
Система
|
|
|
|
Трубопроводная арматура (клапан, кран, задвижка, заслонка)
|
Подсистема
|
|
|
Система
|
|
|
Затвор (прочноплотное соединение)
|
Элемент
|
Подсистема
|
|
|
Система
|
|
Деталь (герметизатор затвора)
|
|
Элемент
|
Подсистема
|
Подсистема
|
Подсистема
|
|
Поверхность (герметизирующая)
|
|
|
Элемент
|
Элемент
|
Элемент
|
Установление параметров и точности герметизаторов арматуры установок является результатом следующего стадийного анализа:
— система "установка—арматура—затвор" как определитель типа арматуры;
— система "установка—затвор—деталь (герметизатор затвора)" как определитель исполнения типа арматуры по материалу затвора;
— система "установка—деталь—поверхность (герметизирующая)" как определитель исполнения типа арматуры по конструкции затвора;
— система "арматура—деталь—поверхность" как определитель комплекса функциональных и соподчиненных параметров конструктивного исполнения типа арматуры по затвору или система "затвор—деталь—поверхность" как определитель комплекса только функциональных параметров конструктивного исполнения затвора.
Тип арматуры должен отвечать эксплуатационной ситуации, а также требованиям к качественным показателям назначения, надежности, безопасности, экономичности установки. Анализ эксплуатационной ситуации следует проводить по характеристикам рабочей среды, условиям эксплуатации затвора и рабочему процессу, протекающему в конкретной технологической системе установки. Определяющими характеристиками рабочей среды являются ее опасность и агрессивность, давление и температура. Основными характеристиками условий эксплуатации затвора выступают: режим работы по частоте срабатываний, соотношение времени открытого и закрытого положений затвора, времени открытия и закрытия затвора. Характеристиками рабочего процесса применительно к затвору арматуры являются давление, температура рабочей среды, диаметр условного прохода арматуры.
Агрессивность среды характеризует коррозионное и эрозионное воздействие на герметизаторы затвора, поэтому требуется разработка и формулирование единых критериев оценки ее воздействия с позиций сохранения работоспособности затворов как специальной, так и общепромышленной арматуры. При этом герметичность, как показатель назначения или соподчиненный, связана с опасностью рабочей среды, ее агрегатным состоянием и накладывает ограничения на тип герметизации затвора, а также штока привода.
Показатели надежности рассматриваются в совокупности с герметичностью, а именно, с ее изменением во времени, соподчиненностью установке в целом или элементам установки (обслуживаемым аппаратам, машинам, насосам, компрессорам).
Показатели экономичности (габаритно-массовые и энергетические) увязываются по диаметру условного прохода, строительной длине, типу управления затвором.
Критерием оптимизации при выборе типа арматуры (клапан, кран, задвижка, заслонка), выступает герметичность затвора во времени, как комплексный показатель назначения и надежности арматуры, конструктивное обеспечение которого достигается при минимальных производственных и эксплуатационных затратах.
Исполнение запорной арматуры должно отвечать эксплуатационной ситуации по материалу деталей затвора и других сборочных единиц. Наряду с агрессивностью среды, выбор исполнения затвора, удовлетворяющего характеристикам эксплуатационной ситуации, основывается на минимизации силы герметизации. Высокие требования к герметичности затвора, времени эксплуатации по ресурсу срабатываний при минимальной управляющей силе достигают при использовании затворов типа резина—металл.
Использование резины и резиновых смесей в качестве эластомерного герметизатора наиболее целесообразно, но зависит от используемого материала, времени эксплуатации арматуры и вида рабочей среды. При недостаточной химической стойкости в рабочей среде, температурах эксплуатации ниже температуры стеклования резины либо при высоких температурах и давлениях, используются герметизаторы из пластмасс.
Вместе с тем при прочих равных условиях значение управляющей силы для затворов с пластмассовыми герметизаторами в 1,2—3 раза возрастает по сравнению с резиновыми. Если параметры эксплуатационной ситуации не позволяют использовать затвор типа полимер—металл, то используются затворы типа металл—металл, управляющая сила для которых в 1,5—3 раза больше, чем для самых жестких полимеров.
Таким образом, сохранение механической прочности в условиях коррозионно-механического изнашивания деталей затвора, связанное с герметичностью во времени, непосредственно зависит от материала и выступает критерием оптимизации, конструкторское обеспечение которого достигается выбором материалов герметизаторов затвора: коррозионно-стойких сталей или сплавов, керамики, полимеров, эластомеров, обеспечивающих герметичность затвора во времени при наименьших затратах на создание и ремонт герметизаторов.
Конструктивное исполнение типа арматуры должно подчиняться эксплуатационной ситуации прежде всего по характеристикам режима работы затвора. По режиму работы (по частоте срабатываний и соотношению времени открытого и закрытого положений затвора) выделяют три группы затворов:
— затворы нормально открытые, работающие в технологической системе и выполняющие функции концевой арматуры (затвор закрыт) — ремонтно-технологическая запорная арматура (при ремонте) в аварийной ситуации — защитная арматура;
— затворы, работающие в технологической системе и выполняющие функции управляющей арматуры, соотношение времени открытого и закрытого положений затвора приближается к единице;
— затворы нормально закрытые, работающие в технологической системе и выполняющие функции концевой запорной арматуры практически на всем протяжении эксплуатации затвора.
При этом для обеспечения большого ресурса (управляющая технологическая арматура) контактные давления в затворе при установленной оптимальной управляющей силе герметизации должны быть уменьшены, что достигается использованием номинально поверхностных затворов, Для затворов с малым ресурсом (ремонтно-технологическая и концевая запорная, а также защитная арматура) приемлемо повышение контактных давлений в затворе при той же оптимальной управляющей силе герметизации или меньшей путем использования номинально линейных затворов. Для номинально линейных затворов по различным данным максимальный ресурс 1500...3000 циклов (резина—металл) и 500...2000 циклов (металл—металл).
Следует отметить условность количественного ограничения по ресурсу, что связано с недостаточной изученностью параметров и точности герметизаторов. Для номинально линейных затворов металл—металл ножевого типа обеспечен ресурс 10 000 циклов, а для сфероконического затвора обратных поворотных клапанов — 500 000 циклов. Следовательно, частота срабатывания затвора, соотношение времени открытого и закрытого положений затвора выступают определяющими параметрами конструкторского обеспечения герметичности затвора во времени при минимальных затратах на производство и эксплуатацию арматуры.
Результатом анализа является оптимальное конструктивное исполнение герметизирующих поверхностей деталей затвора по форме: плоские, цилиндрические, конические, сферические, ножевые.
Стадия выявления функциональных и соподчиненных параметров обеспечения герметичности в затворе арматуры наименее описана [1]. Из них к функциональным параметрам следует отнести геометрические и параметры материала герметизаторов затвора, отклонения их размеров, расположения, формы, волнистость, шероховатость герметизирующих поверхностей, а к соподчиненным — размеры деталей затвора, корпусной и приводной частей арматуры и их отклонения, в целом определяющие отклонение расположения поверхностей (осей) герметизаторов затвора.
В общем случае при выборе арматуры на каждой стадии должны решаться оптимизационные задачи, которые сводятся к необходимости минимизировать габаритно-массовые характеристики, управляющую силу герметизации или затраты, т.е. некоторую функцию, называемую целевой, которая характеризует полезный эффект от создания или потребления объекта, при определенных ограничениях. При этом наиболее эффективными являются количественные методы оптимизации, базирующиеся на решении тем или иным методом математической модели оптимизации [2].
ЛИТЕРАТУРА:
2. Никифоров А.Д. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. М.: Высш. шк., 2000. 510 с.