С.В.Сейнов - президент-научный руководитель НПО «ГАКС-АРМСЕРВИС», д.т.н., профессор, член-корр. РАПК
РАЗНООБРАЗИЕ СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОБЪЕКТ ПРИ ПНЕВМОГИДРОИСПЫТАНИЯХ КАК ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ ФАКТОР
В многочисленных руководящих и нормативных документах, регламентирующих условия проведения пневмогидравлических испытаний арматуры как завершающей операции процесса изготовления, так и первой в процедуре входного контроля качества поставленной продукции рассмотрено множество структур испытательных комплексов. Наиболее полно обоснованы и системно представлены условия, положения и требования к процессам, стендам, средствам измерения и контроля в межгосударственном стандарте ГОСТ 33257-2015 «Арматура трубопроводная. Методы контроля и испытаний». Это позволяет и производителям, и потребителям, осуществляющим входной контроль, использовать широкий спектр технических решений для осуществления операций и процедур выходного и входного контроля арматуры. Однако, на многообразие структурных схем, рекомендованных подходов к выполнению пневмогидравлических испытаний этот же стандарт накладывает ограничения, гласящие: «Испытательное оборудование не должно оказывать на изделие механического (силового) воздействия от крепежных и установочных элементов, не предусмотренного КД, ТУ и ПМ и (или) иных документах, содержащих требования к испытаниям. Допускаются силовые воздействия на испытываемую арматуру, необходимые для обеспечения ее герметизации заглушками. Усилия должны быть минимальными для исключения разуплотнения соединения при увеличении давления и выдержке арматуры под давлением». Эти ограничения чрезвычайно важны для поддержания высокой точности и достоверности результатов испытаний. К сожалению, они носят декларативный характер без каких-либо схемных или численных ограничений как по характеру, направлению, точкам приложения силовых нагрузок, так и по их величине.
В таблице 1 представлено извлечение из обобщенной систематизации схемных решений испытательных стендов [2]. Оно дано в виде функциональных схем стендов горизонтальной и вертикальной компоновок с совокупностью всех действующих сил на объект испытаний, принимаемых в некой степени подобия к реальным нагрузкам, действующих на арматуру от транспортных, технологических и других трубопроводных систем. Эти нагрузки, оказывающие, как правило, дестабилизирующее влияние на геометрические параметры межуплотнительного пространства, а значит и его гидродинамику, можно охарактеризовать следующим образом.
Таблица 1 - Типовые схемы компоновки испытательных стендов и характер силового воздействия на арматуру при пневмогидравлических испытаниях
а) Усилия (Piсж), направленные вдоль оси магистрального прохода корпуса арматуры, порождаемые элементами испытательного оборудования, характеризуемые как равнодействующая (Рос.стсж), сжимающая корпус через воздействие на привалочные поверхности магистральных фланцев, создающей свойственное нагрузке напряженно- деформированное состояние корпуса в зоне функционального узла - уплотнений затвора.
б) Усилия, направленные вдоль оси магистрального прохода корпуса арматуры как равнодействующая распределенной нагрузки (qср) от давления испытательной среды, характеризуемая в виде осевой растягивающей корпус арматуры нагрузки (Рос.ср.раст.), через независимые заглушки, закрепленные (Рфiсж), на магистральных фланцах корпуса, создающих свойственное только этому виду нагрузки напряженно-деформированное состояние корпуса в зоне функционального узла – уплотнений затвора.
в) Усилие, направленное вдоль оси магистрального прохода как равнодействующая распределенной нагрузки (qср) от давления испытательной среды (Рср.), характеризуемая в виде осевого распорного усилия (Рос.ср.расп.), воспринимаемого механизмами стенда, как реакция силового воздействия (Rоп), через специальную заглушку, не создающую напряженно-деформированное состояние корпуса в зоне функционального узла – уплотнений затвора.
На рис.1 представлен характер формирования силового воздействия на арматуру по всем трем видам нагрузок.
Рис.1. Характер совокупного внешнего и внутреннего воздействия на арматуру при испытаниях на прочность, плотность, герметичность
а) схема стенда (табл., поз.II и IV) с осевым сжатием (Рос.ср.сж.) корпуса арматуры механизмами стенда; б) схема стенда (табл., поз.I и III) c независимыми заглушками, закрепленными на магистральных фланцах и общим растягивающим усилием (Рос.ср.раст.) от действия среды; в) схема специального стенда с распорным усилием (Рос.ср.расп.) от действия испытательной среды, реакцией опоры стенда (Rоп) от специальной заглушки, исключающей воздействие осевых сил на корпус арматуры.
Функционирование испытательного стенда (рис.1а) может осуществляться при условиях, которые могут быть выражены следующим образом:
Здесь,
Piсж – составляющая осевой сжимающей нагрузки механизмов стенда;
Рос.стсж – равнодействующая всех составляющих осевой сжимающей нагрузки механизмов стенда;
Dуп.заг. – диаметр полимерного кольца, герметизирующего заглушку и фланец арматуры;
Рисп. – давление испытаний;
∆Руп.з. – минимальное усилие герметизации соединения «заглушка-фланец» арматуры;
[Fr] – удельная погонная нагрузка герметизации полимерного уплотнителя соединения «заглушка-фланец» арматуры;
l(Dзаг.) – развертка кольцевого уплотнителя соединения «заглушка-фланец» арматуры;
k – коэффициент запаса, характеризующий диапазон рассеяния значений, используемых параметров.
Процесс испытаний арматуры состоит из двух частей.
Первая характеризуется как «подготовительный цикл испытаний» (τп.ц.и.), включающий:
а) герметизацию привалочных поверхностей объекта испытаний и механизмов стенда – «заглушка-фланец»;
б) заполнение внутренней полости арматуры испытательной средой и поднятие давления в этой полости до регламентированного уровня;
в) ожидание стабилизации всех силовых параметров испытаний.
Вторая часть, названная как «основной цикл испытаний» (τо.ц.и.) и регламентируемая по времени и показателям качества призвана осуществлять регистрацию всех регламентированных параметров процесса – давление, утечки внешние (через материал, сварные швы, разъемные соединения) и внутренние в затворе. Она начинается с момента, обозначаемого одновременно как «окончание подготовительного цикла испытаний» (τок.п.ц.и.) и «начало основного цикла испытаний» (τн.о.ц.и.).
Динамика силовых воздействий на объект испытаний при использовании стендов компоновки поз. II, IV таблицы 1 представлена на рис.2 в виде графика функции Рос.стсж = f(τ). На графике точка «А» – момент «начала подготовительного цикла испытаний» (τн.п.ц.и.) характеризует и начало силового воздействия механизмов стенда на привалочные поверхности объекта испытаний. Эти воздействия возрастают до максимального значения («В»), а затем начинают снижаться («С»), ввиду появления и последующего увеличения растягивающих усилий (Рос.ср.раст.), за счет роста давления испытательной среды до максимального значения (Рср.), компенсирующих сжимающие усилия, доводя их до минимального значения (∆Руп.з.), которое сохраняется до «окончания основного цикла испытаний» (τок.о.ц.и.) и характеризуется «Д».
Рис. 2. Динамика силовых воздействий на арматуру при испытаниях с осевым сжатием в виде графика изменения осевых сжимающих нагрузок (Рос.сж) в подготовительном (τп.ц.и.) и основном (регламентированном) (τо.ц.и.) циклах проведения пневмогидравлических испытаний арматуры на прочность, плотность и герметичность затвора при использовании стендов, скомпонованных по схемам поз. II; IV таблицы 1
На стендах этой же группы позиций и компоновки проводятся испытания с применением принципа пропорционального поджима объекта испытаний, который может быть выражен следующей системой выражений.
Здесь,
– пошаговый управляемый рост усилия герметизации соединения «заглушка-фланец» арматуры;
– пошаговый управляемый рост испытательного давления пропорционально пошаговому увеличению усилия герметизации «заглушка-фланец» арматуры;
τ1; τ2 ... τn – время формирования каждого шага;
n – количество шагов.
Динамика силовых воздействий на объект испытаний при использовании принципа «пропорционального поджима» представлена на рис.3.
Рис. 3. Динамика силовых воздействий на арматуру при испытаниях с осевым сжатием в виде графика изменения осевых сжимающих нагрузок (Рос.сж) в подготовительном (τп.ц.и.) и основном (регламентированном) (τо.ц.и.) циклах проведения пневмогидравлических испытаний арматуры на прочность, плотность и герметичность затвора при использовании стендов, скомпонованных по схемам поз. II; IV таблицы 1
Целью применения пропорционального поджима является исключение из подготовительного цикла испытаний максимального осевого усилия сжатия (Рос.стсж) объекта испытаний, обозначенного «В» (рис.2).
При этом сам регламентирующий «основной цикл испытаний» не претерпевает никаких изменений в динамике силовых воздействий. В связи с этим целесообразность широкого использования этого принципа остается под вопросом, так как происходит неоправданное удорожание испытательного оборудования, снижение производительности без доказательности получаемого эффекта достоверности моделирования эксплуатационных условий.
Выбор численных значений каждого из силовых шагов [Руп.з. (τi)] и [Р′исп (τi)], их общего количества (n), времени формирования каждого шага (τi) носит в настоящее время чисто конструкторский характер, зависящий от производительности насоснонапорных агрегатов, точности и времени срабатывания элементов пневмо- гидроавтоматики для формирования осевого сжатия и давления испытательной среды.
Для стендов второй группы (поз. I и II таблицы 1 и рис.1б), в которые используются только растягивающие осевые усилия, характеристики условий функционирования двух соединений «заглушка-фланец». Могут быть представлены в следующем виде:
Здесь,
Руп.з.i – минимальное усилие герметизации соединения «заглушка-фланец», отнесенное к каждому крепежному элементу;
Рфiсж – усилие сжатия каждого элемента соединения «заглушка-фланец»;
n – количество мест крепления заглушек к фланцам.
Динамика силовых воздействий на объект испытаний при использовании стендов компоновки поз. I и II таблицы 1 представлена на рис.4 в виде графика функции Рос.ср.раст.) = f(τ). На графике точка «А» момента «начала подготовительного цикла испытаний» (τн.п.ц.и.) определяет момент начала силового воздействия на объект испытаний в направлении оси магистрального прохода. Это направление выбрано по той причине, что оно является определяющим в изменении исходных ФМП уплотнений затвора, происходящих вследствие деформации его функциональных поверхностей. Как показывают многочисленные исследования изменению подвержены низкочастотные составляющие спектра неровностей уплотнительных поверхностей. К ним относятся:
∆0 – погрешности линейных и угловых размеров;
∆1 – погрешности взаимного положения поверхностей, осей и центров;
∆2 – погрешности формы в виде неплоскостности, некруглости, непрямолинейности.
Волнистость ∆3 и шероховатость ∆4 нечувствительны к деформации функциональных узлов, а изменяются в процесс трибологических явлений при циклической наработке. Все эти изменения ФМП в полной мере относятся ко всем структурным схемам испытательных стендов, порождающих, в том числе, осевые сжимающие нагрузки.
Рост растягивающих усилий (рис.4) продолжается до момента достижения во внутренней полости арматуры нормативного давления испытательной среды (точка «Е») и его стабилизации в пределах цикла (τп.ц.и.). После этого оператор включает необходимые средства регистрации всех исследуемых параметров. Регистрация продолжается регламентированное время (τо.ц.и.) и завершается в момент (τок.о.ц.и.), отмеченный на графике точкой «F».
Рис.4. Динамика силовых воздействий на арматуру, при испытаниях с осевым растяжением, в виде графика изменения осевых растягивающих нагрузок (Рос.рас.) в подготовительном (τп.ц.и.) и основном (регламентированном) (τо.ц.и.) циклах проведения пневмогидравлических испытаний арматуры на прочность, плотность и герметичность затвора при использовании стендов, скомпонованных по схемам поз. I; III таблицы 1
Что касается полностью разгруженного от осевых сжимающих и растягивающих нагрузок специального испытательного стенда (рис. 1в), то условие его функционирования имеет следующую силовую характеристику:
Настоящая силовая характеристика и силовые характеристики рассмотренных компоновок стендов сформированы из условия только осевых нагрузок, на которые ориентирует нормативная документация. Однако, это не исключает появления и других направлений силовых воздействий, что связано с давлением испытаний среды, находящейся во внутренней полости объекта испытаний. Происходит его деформация не только в направлении оси магистрального прохода под действием сил, направленных в этом же направлении, но и во все другие, поскольку действует распределенная нагрузка. В результате изменяются низкочастотные составляющие спектра неровностей уплотнений затвора и других соединений, влекущие в конечном итоге индивидуальную гидродинамику соединений, через изменения геометрии межуплотнительного пространства.
Для обобщенного восприятия всей совокупности рассмотренных закономерностей изменения силовых воздействий на объект испытаний проведем преобразования и представим их в единых координатах, обеспечивая при этом единообразие исходных размерных, силовых, временных, количественных параметров и особенно характеристик жесткости корпусных деталей и функциональных узлов, то получим совмещенный график изменения нагрузок (рис.5), позволяющий обозначить и сформулировать ряд положений, требующих уточнения, понимания их значимости в дальнейшем совершенствовании качества трубопроводной арматуры.
Рис. 5. Совмещенный график изменения осевых нагрузок на привалочные поверхности корпуса арматуры при схемах (поз. I; II; III; IV таблицы 1) компоновки стендов для испытаний на прочность, плотность и герметичность затвора
1) В практике оценки качества арматуры на завершающей стадии производства и при входном контроле используются испытательное оборудование и стенды, построенные на различных принципах силового воздействия на объект испытаний.
2) Каждый из принципов силового воздействия на объект испытаний характеризуется индивидуальной структурой силовых параметров и формирует свойственное только этому принципу напряженно-деформированное состояние арматуры в зоне функциональных поверхностей узла затвора и свойственную ему геометрию межуплотнительного пространства и его гидродинамику.
3) Трубопроводная арматура, прошедшая испытания на оборудовании одного принципа силового воздействия на объект испытаний, может показать другие результаты при входном контроле, где был применен другой силовой принцип обеспечения герметичности соединения «заглушка - фланец» из-за изменений гидродинамики межуплотнительного пространства, вызванных новым характером напряженно-деформированного состояния арматуры.
4) Нормативная документация не регламентирует условия применимости или сочетаний того или иного принципа силового воздействия в испытательных стендах для производства и входного контроля качества, оставляя решение этого вопроса на откуп хозяйствующим субъектам.
5) В настоящее время отсутствуют системные данные или руководящие документы, описывающие или регламентирующие вид, характер, структуру силового взаимодействия арматуры с элементами эксплуатационной системы на различных стадиях их существования, что не позволяет с высокой достоверностью моделировать эксплуатационные условия при создании и использовании стендового испытательного оборудования.
6) Для оперативного исключения противоречий в оценке качества арматуры по результатам пневмо-гидравлических испытаний при изготовлении и входном контроле, эти технологические операции должны проводиться на испытательных стендах, построенных на одном силовом принципе взаимодействия механизмов стенда и объекта испытаний.
Представленные оценки, суждения и положения не могут быть достаточно быстро разрешены, так как требуют осмысления, обсуждения, принятия инженерно-технической общественностью арматуростроителей соответствующей идеологии и дальнейшей системой её реализации.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Сейнов С.В., Калашников В.А., Железнов Б.П. Испытания трубопроводной арматуры, - М. Издательство стандартов, 1989, 162 с.
3. Сейнов С.В., Калашников В.А., Железнов Б.П. Изменение геометрических параметров уплотнения затвора в запорных клапанах под действием эксплуатационных нагрузок. Химическое и нефтяное машиностроение. - 1986, №5.