Июн 26, 2020
С.В.Сейнов - президент-научный руководитель НПО «ГАКС-АРМСЕРВИС», д.т.н., профессор, член-корр. РАПК
Взаимодействие элементов уплотнений с целью достижения заданных норм герметичности (допустимой величины утечки) закладывается при проектировании арматуры. Оно зависит от следующих факторов.
1. Функциональное назначение арматуры в трубопроводной системе.
2. Эксплуатационные свойства конструкции, выраженные в способности сохранять при действии нагрузок в течение времени их воздействия в неизменном состоянии исходные размерно-геометрические параметры уплотнений затвора.
3. Принятая идеология достижения герметичности в затворе - силовая или размерно-геометрическая.
Чем более высокие требования предъявляются к герметичности в затворе, тем больше проблем возникает при изготовлении. Если строго руководствоваться требованиями современной конструкторской документации на арматуру, то достижение заданной нормы герметичности можно отнести к случайному событию. В производственной практике производителей арматуры и ремонтников неосознанно выработалась незанесенная в техническую документацию совокупность технологических действий, приводящих к достижению положительного эффекта. Именно она является для каждого изготовителя определяющим, своеобразным «ноу- хау», в достижении герметичности, а не требования к параметрам уплотнений, определенных в конструкторской документации.
Основная причина конструкторских и технологических противоречий заключается в продолжающемся использовании при проектировании арматуры устаревшей идеологии герметизации, разработанной в 50-е годы прошлого столетия. В ее основе заложены силовые принципы, выраженные «удельным давлением герметизации». Это означает, что для обеспечения герметичности в соединении должны быть созданы такие контактные давления, которые создадут условия, препятствующие проникновению среды через межконтактное пространство. При этом состояние контактирующих поверхностей остается, строго говоря, без какого-либо регламентирующего внимания.
Старая идеология и ее воззрения не только довлеют над методологией конструирования герметизирующих соединений арматуры, но и являются в настоящее время одним из главных факторов, препятствующих технологическому и метрологическому развитию производства и ремонта арматуры. Отказ от старой идеологии, развитие, совершенствование и широкое использование новой современной, базирующейся на размерно-геометрических принципах оценки межуплотнительного пространства, и только после этого силовое воздействие, позволяют не только управлять процессом технологического достижения герметичности, но и сохранять во времени герметизирующую способность затвора. Все это экономически выгодно как производителям арматуры, так и ее потребителям, на объектах которых проявляются в течение всего времени эксплуатации герметизирующие свойства затвора.
Размерно-геометрическая идеология в обеспечении герметичности будет являться основой дальнейшего рассмотрения в настоящей работе контактного взаимодействия элементов уплотнений затвора. Учитывая, что наиболее жесткие требования по герметичности предъявляются к запорной арматуре, анализ будет проводиться над объектами, отнесенными к типу запорной арматуры.
Все многообразие запорной трубопроводной арматуры можно дифференцировать на три конструктивные группы. Основным признаком такой дифференциации является количество уплотнительных поверхностей, которые являются определяющим в обеспечении герметичности затвора. В этой связи такие поверхности приобретают статус функциональных, то-есть важнейших элементов конструкции, обеспечивающих основную функцию и к которым должен быть особый подход при конструкторском, технологическом и метрологическом обеспечении.
Конструкторское обеспечение должно быть направлено на сохранность размерно-геометрических параметров уплотнений при действии на них в процессе эксплуатации силовых факторов. Это должно осуществляться за счет прочности и, особенно, жесткости корпусных деталей.
Технологическое обеспечение есть не что иное, как совокупность операций, последовательное выполнение которых приводит к достижению конструкторских нормативов на размерно-геометрические параметры уплотнений.
Метрологическое обеспечение предполагает не только выявление, учет и систематизацию всего многообразия образующихся погрешностей, но и возможность измерения каждой из совокупности метрических параметров уплотнений, отнесенных к функциональным. Измерения на завершающей стадии технологического процесса и особенно измерения функциональных метрических параметров уплотнений могут позволить оценить качество обработки и прогнозировать ресурс работы уплотнения.
Если выше указанный тип запорной арматуры систематизировать по возрастающему количеству функциональных поверхностей уплотнений затвора, то первая группа будет иметь две уплотнительные поверхности. Конструкции запорной арматуры с таким количеством уплотнительных поверхностей можем классифицировать в качестве двухповерхностных систем уплотнения затвора. Такую конструкцию затвора имеют клапаны запорные и обратные, поворотные затворы, краны пробковые.
Характер контактного взаимодействия элементов уплотнений в конструкциях этой группы арматурры представлен в таблице 1. Из детального рассмотрения различных схем следует, что двухповерхностные уплотнительные системы имеют принципиальные различия контактного взаимодействия. Это может повлечь технологические и метрологические отличия, вытекающие из различия в геометрической форме номинального контактного перекрытия уплотнительной поверхности седла по отношению к уплотнительной поверхности запирающего элемента. Образуются следующие виды номинальных геометрических форм перекрытия поверхности уплотнений при контакте.
1) Перекрытие, имеющее номинальную геометрическую форму кольца, расположенного на плоскости (табл. 1, рис.6.1). Кольцо имеет ширину (в) чаще всего существенную по величине значения (плоский кольцевой контакт).
2) Перекрытие, имеющее номинальную геометрическую форму кольцевой линии, расположенной на плоскости (табл. 1, рис.6.2). Кольцо имеет несущественную по величине ширину (в) («ножевой контакт» на плоскости).
3) Перекрытие, имеющее номинальную геометрическую форму кольца, расположенного на конической поверхности (табл. 1, рис.6.3). Ширина кольцевой поверхности (в) по величине имеет несущественное значение («конический контакт» с малой величиной образующей).
4) Перекрытие, имеющее номинальную геометрическую форму в виде кольцевой линии, расположенной на конической поверхности (табл. 1, рис.6.4). Кольцевая линия имеет несущественную по величине ширину (в) (контакт «ножевой конический»).
5) Перекрытие, имеющее номинальную геометрическую форму кольца, расположенного на сферической поверхности (табл. 1, рис.6.5). Ширина кольцевой поверхности (в) имеет несущественное значение (контакт «сферо-сферический» с малой образующей сферического кольца).
Таблица 1. Контактное взаимодействие в затворе клапанов и поворотных затворов
Рассмотренные типовые геометрические формы взаимного перекрытия уплотнительных поверхностей при контактном взаимодействии элементов затвора в двухповерхностных системах есть ни что иное, как стремление конструктивными методами решить технологические проблемы. Беря на вооружение идеологию силового обеспечения герметичности, конструктор ошибочно полагает, что применяя сложные геометрические формы уплотнительных поверхностей, он решает главную задачу - создание необходимых контактных нагрузок, обеспечивающих герметичность затвора. Однако, ожидаемый эффект чаще всего не наступает и легкость решаемой задачи остается только желаемым результатом.
Во-первых, сложные геометрические формы, а также формы, полученные в результате пересечения поверхностей сложных геометрических форм, требуют для своего формирования увеличенного количества простых формообразующих движений. А это приводит к увеличению количества единичных погрешностей поверхностей и к необходимости нового осмысления всего объема метрологических проблем по выявлению многообразия погрешностей и возможности их устранения или компенсации. Сюда же добавляются проблемы, связанные с применением новых технологических процесов, оборудования, оснастки и средств измерений.
Во-вторых, сложные геометрические формы не исключают необходимость технологического формирования межуплонительного пространства, способного своим внутренним пневмо-гидравлическим сопротивлением поглотить энергию проникновения среды через границу раздела, которым является номинальная геометрическая форма взаимного перекрытия уплотнительных поверхностей.
Запорная арматура, конструкция которой базируется на использовании в затворе трех уплотнительных поверхностей, относится к трехповерхностным системам уплотнения затвора. Такую конструкцию затвора имеет только кран шаровый. Характер контактного взаимодействия элементов уплотнений трехповерхностной системы представлен в таблице 2. Следует отметить, что на практике в таких системах в качестве контактирующих материалов применяются чаще всего «металл - полимер». Контактирование по схеме «металл - металл» используется достаточно редко. Однако, стремление расширить температурный диапазон применяемых полимерных материалов приводит к использованию более прочных полимеров, не обладающих способностью копировать форму контрдетали. Поэтому в схемах, представленных в таблице 2 рассмотрены условия контакта «металл - металл», которые могут находиться в определенной степени подобия с условиями контактирования «металл — полимер».
Принятые схемы контактного взаимодействия элементов затвора и применяемые при этом геометрические формы уплотнительных поверхностей формируют следующие виды номинальных геометрических форм взаимного перекрытия поверхностей уплотнений при контакте.
1) Перекрытие, имеющее номинальную геометрическую форму кольцевой линии, расположенной на конусе (или сфере) (табл. 2, рис.6.1). Кольцо имеет несущественную ширину (в), что позволяет контактное взаимодействие квалифицировать как «контакт по линии».
2) Перекрытие, имеющее номинальную геометрическую форму кольца, расположенного на сферической поверхности (табл. 2, рис.6.2). Ширина кольцевой поверхности (в) имеет несущественное значение по сравнению с радиусом сферы затвора (Rсф.з.). Контакт можно классифицировать как «сферо- сферический» с малой образующей сферического кольца.
Таблица 2. Контактное взаимодействие в затворе кранов шаровых
Как следует из анализа, эта группа геометрических форм номинального перекрытия немногочисленна, что связано со следующими обстоятельствами.
Во-первых, область применения этого вида запорной арматуры ограничена по температурным параметрам и во многом зависит от совершенствования полимерных материалов.
Во-вторых, шаровые краны как вид запорной арматуры достаточно молодой, в связи с чем еще не подвергался масированным «атакам» конструкторской мысли.
В-третьих, важнейшим ограничительным фактором роста вариантов контактирования уплотнений в затворе является количество функциональных уплотнительных поверхностей в затворе.
Следует отметить главное технологическое достоинство шаровых кранов современных конструкций. Оно заключается в использовании полимерных материалов, которые по своим механическим свойствам обладают способностью компенсировать макрогеометрические погрешности шаровой пробки в достаточно широком диапазоне. Использование других более прочных материалов многократно увеличит технологические проблемы обеспечения герметичности затвора.
Запорная арматура, в которой используются для обеспечения герметичности четыре уплотнительные поверхности, образует третью конструктивную группу, получившую наименование четырехповерхностных систем уплотнения затвора.
К этой конструктивной группе относятся задвижки клиновые, задвижки параллельные, задвижки шиберные. Характерной особенностью конструкций затвора этой группы является функциональная независимость каждой из четырех уплотнительных поверхностей. Контактное взаимодействие элементов уплотнений четырехповерхностных систем представлено в таблице 3. Детальное рассмотрение типовых схем контактного взаимодействия уплотнительных поверхностей затвора параллельных задвижек, клиновых задвижек, шиберных задвижек позволяет выделить только одну номинальную геометрическую форму перекрытия уплотнений седла и запирающего элемента.
Перекрытие, имеющее номинальную геометрическую форму кольца, расположенного на плоскости (табл. 3, рис.6.1, 6.2, 6.3). Кольцо имеет ширину (в) чаще всего существенного по величине значения (плоскостной кольцевой контакт).
Таблица 3. Контактное взаимодействие в затворе задвижек
При единообразии номинальной геометрической формы перекрытия рассмотренные схемы имеют одно принципиальное отличие, влекущее технологические проблемы. Оно состоит в том, что перекрытие осуществляется в одном случае при номинально параллельном расположении всех четырех поверхностей, а во втором - контактирующая пара уплотнительных поверхностей находится под заданным номинальным углом по отношению ко второй паре уплотнительных поверхностей. Это обстоятельство вносит существенный вклад в формирование технологических проблем изготовления таких герметизирующих узлов [1].
В этой конструктивной группе четырехповерхностных уплотнительных систем так же как и в трехповерхностных системах имеет место ограниченное количество схем контактного взаимодействия уплотнений. Количественное увеличение числа уплотнительных поверхностей в затворе накладывает более жесткие ограничения на характер контактного взаимодействия. Даже фактор одного из самых «древних» видов запорной арматуры, на который конструкторская мысль сосредоточенно обращала внимание при различных схемах модернизации, не позволил расширить схемы контактного взаимодействия уплотнений затвора. Плоская кольцевая номинальная геометрическая форма взаимного перекрытия уплотнительных поверхностей в затворе осталась единственным видом для этой конструктивной группы запорной арматуры.
Систематизируя и обобщая номинальный характер взаимного перекрытия уплотнительных поверхностей в рассмотреных 3-х конструктивных группах запорной арматуры, можно выделить два основных вида. Первый вид - это взаимное перекрытие уплотнений по поверхностям (табл. 1, рис.6.1, 6.3, 6.5; табл. 2, рис. 6.2; табл. 3, рис. 6.1, 6.2, 6.3). Второй вид перекрытия - перекрытие по линиям (табл. 1, рис. 6.2, 6.4; табл. 2, рис. 6.1). Сложность их технологического осуществления будет зависеть от следующих факторов.
1) Количество координатных осей, относительно которых осуществляется процесс контактного взаимодействия элементов затвора в конструкции.
2) Количество координатных осей, используемых для осуществления процесса формообразования уплотнительных поверхностей, и возможность неизменности их положения.
3) Количество координатных осей, используемых для формирования функциональных граней (уплотнений), полученных на пересечении образующих их поверхностей и степень их изменяемости в цикле обработки.
4) Выбор процессов, обеспечивающих формирование макро и микротопографии поверхностей, участвующих в создании взаимного перекрытия уплотнений затвора.
Указанные факторы обуславливают необходимость методологического перехода от номинальных параметров взаимного перекрытия к действительным, которые характеризуются наличием различного вида погрешностей и отклонений от номинала.
ЛИТЕРАТУРА