С.В.Сейнов - президент-научный руководитель НПО «ГАКС-АРМСЕРВИС», д.т.н., профессор, член-корр. РАПК
 
ФОРМИРОВАНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ СИЛОВОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ В УПЛОТНЕНИИ ЗАТВОРА
 
Во второй части статьи было отмечено, что наибольшая привлекательность при решении практических задач обеспечения герметичности, особенно на стадиях конструкторских проработок, сохраняется за силовым принципом. Он достаточно прост именно для решения конструкторских задач и характеризуется двумя схемами реализации, базирующимися на использовании функциональных параметров, выступающих одновременно и в к качестве диагностических: усилие управления затвором (Ру.з.), удельное давление герметизации, отнесенное либо к номинальной площади контакта (qу), либо к ножевому (q’у). Была показана теоретическая возможность формирования диагностических моделей на основе вышеприведенных функциональных параметров силового принципа обеспечения герметичности.
 
Обоснованность формирования базы диагностических моделей предполагает наличие у ее составляющих таких свойств, как:
1) способность диагностического параметра обладать управляющим влиянием на показатель качества, который характеризует техническое состояние диагностируемого объекта;
2) возможность прослеживаемости диагностического параметра и его свойств на протяжении важнейших этапов жизненного цикла объекта;
3) наличие у диагностического параметра свойств, позволяющих осуществлять измерение как его самого, так и его управляющих воздействий на исследуемый объект;
4) возможность использования применяемых на практике средств измерений необходимой чувствительности и точности, способных осуществлять процесс измерения в условиях проводимых диагностических процедур.
 
Результаты систематизации и анализа всех рассмотренных диагностических моделей, проведенных ранее, показали некоторую привлекательность моделей, построенных на гидродинамических свойствах межуплотнительного пространства и разработанных на этой основе подходов к оценке технического состояния объекта диагностики. Но это, ни в коей мере не исключает и не ограничивает применение силовых характеристик контактного взаимодействия элементов уплотнения в затворе. При этом уже сейчас необходима дальнейшая работа по совершенствованию как теоретической стороны этого вопроса, так и развития инструментария, что и позволит раскрыть все потенциальные возможности этого подхода к диагностированию.
 
С позиций первого свойства диагностические параметры, формирующие базу моделей для оценки технического состояния уплотнения затвора арматуры на основе силовых параметров, можно характеризовать следующим образом.
 
Параметры Ру.з., qу, q’у функционально связаны между собой и могут характеризоваться способностью управляющего влияния на показатель качества всех видов арматуры – герметичность затвора, оцениваемую объемной величиной утечки через затвор (Qi) в единицу времени. Управляющее влияние этих функциональных параметров распространяется только на один класс герметичности – класс «А» [4], который характеризуется регламентированным значением Qi = 0 см3/мин (мм3/с). При этом за ноль принимается утечка, зарегистрированная соответствующим прибором, имеющим абсолютную погрешность ∆ Qi ≤ 0,05 мм3 [7; 13]. Другие классы герметичности, в которых ограничения утечки значительно превышают указанные погрешности их измерения, не могут управляться этими силовыми характеристиками, отнесенными ранее к диагностическим. Это связано с рядом научно-инженерных проблем, решение которых, по нашему глубокому убеждению, тормозится разобщенностью технической политики арматурного сообщества, что характеризуется следующими фактами.
 
1. В настоящее время не созданы и не ведутся работы по созданию нормативной документации по регламентации «удельного давления герметизации» поверхностного и линейного (ножевого) контактов, построенных на основе их функционального подчинения регламентированным утечкам всех классов герметичности.
 
2. Управление герметичностью (утечкой) уплотнения затвором силовыми параметрами (Ру.з., qу, q’у) предполагает некие контактные деформации, названные «сближением» пластического (при первом нагружении) и упругого (при всех последующих) характера, приводящим к изменениям фактической (Ar ст) и контурной (Ac) площадям контакта [11; 12]. Изменения параметров контакта уплотнительных поверхностей является следствием контактных деформаций шероховатости в виде изменений её высотных параметров (Ra, Rz, Rmax). Эти упругие деформации шероховатости не превышают 10 % от первоначальных высотных значений [11; 12], что не позволяет пока создать механизм тонкой регулировки и управления контактными деформациями в период эксплуатации в рамках указанного диапазона изменения параметров шероховатости.
 
3. В настоящее время ещё не завершены работы по созданию научно-обоснованной и достоверной системы допусков, регламентирующие (qу) и (q’у) для важнейшего класса герметичности – класса «А», который характеризуется как класс, где не может быть зафиксирована утечка среды. При решении конструкторских задач обеспечения герметичности на основе «силового принципа» чаще всего пользуются данными по ограничению контактных нагрузок для различных материалов (табл.4), когда нагрузка направлена по нормали к поверхности без тангенциальных перемещений или с таковыми.
 
Таблица 4
Предельно-допустимые удельные нагрузки для различных материалов уплотнения затвора
Наименование материала
Тип, марка
Температура
применения
°С
Твердость
qдоп МПа
Перемещение золотника
без вращения
с вращением
Латунь
ЛС 59-1 ГОСТ 15527
ЛЦ38Мц2С2 (ЛМЦС58-2-2)
ГОСТ 17711
ЛЦ16К4 (ЛЦ80-3Л) ГОСТ 17711
От -253 до 250
 
 
От -200 до 250
80-140 НВ
 
 
Не менее 100 НВ
80
 
 
100
20
 
 
25
Бронза
БрАЖМц 10-3-1,5 ГОСТ 18175
БрАЖН 10-4-4 ГОСТ 18175
От -253 до 250
От -196 до 350
170-200 НВ
200-240 НВ
100
35
Сталь высоколегированная (коррозионно-стойкая, кислотно-стойкая, жаропрочная)
12Х18Н9Т ГОСТ 5632
15Х18Н12С4ТЮ ГОСТ5632
10Х17Н13М2Т ГОСТ 5632
ЭИ943 ГОСТ 5632
20Х13 ГОСТ 5632
14X17Н2 ГОСТ 5632
От -253 до 350
От -100 до 300
От -260 до 350
От -196 до 400
От -40 до 300
От -70 до 250
121-179 НВ
155-179 НВ
121-179 НВ
135-185 НВ
33-42 HRC
22-31 НRC
 
150
 
 
250
 
 
15
 
 
25
 
Сталь легированная конструкционная
38Х2МЮА ГОСТ 4543
От -40 до 450
Азотирование
750-900 HV
300
80
 
 
Именно эти ограничения выбираются в качестве «удельных давлений герметизации», что порождает технологические проблемы достижения герметичности уплотнения затвора при изготовлении, поскольку не определяются технологические требования решаемой задачи. Ими являются совокупность функционально связанных параметров, характеризующих состояние поверхностей элементов уплотнения затвора, которые могут быть представлены в общем виде для поверхности седла (Пx,y (c)) в координатах (х), (у):
Пx,y (c) = f (∆4(x), ∆4(у), ∆3(x), ∆3(у), ∆2(x), ∆2(у));
 
для поверхности золотника (Пx,y (з)) в тех же координатах (х), (у):
Пx,y (з) = f (∆4(x), ∆4(у), ∆3(x), ∆3(у), ∆2(x), ∆2(у));
 
для взаимного положения седла и золотника при формировании (сборке) затвора (Пx,y (з.т.)) в координатах (х), (у):
Пx,y (з.т.) = f (Пx,y (c), Пx,y (з)),
здесь:
∆4(x), ∆4(у), ∆3(x), ∆3(у), ∆2(x), ∆2(у) - метрические характеристики поверхностей в виде шероховатости (4), волнистости (3), отклонений формы (2) в соответствующих координатах поверхностей.
 
На практике указанные технологические проблемы решаются с применением методов пригонки, базирующихся на индивидуальном опыте производителей.
 
4. Используемые на практике подходы к выбору и назначению «удельных давлений герметизации» осуществляются из условия равномерности контактных нагрузок в уплотнении по всей номинальной поверхности контакта. Это условие в настоящее время уже является недостоверным, поскольку имеются теоретические и экспериментальные данные, опровергающие это положение [5; 14]. В действительности, под действием сборочных, монтажных и эксплуатационных нагрузок происходит изменение исходной точности уплотнительных поверхностей корпусных деталей вследствие их неравномерной жесткости в зоне контактного взаимодействия элементов затвора. Изменяются низкочастотные составляющие спектра неровностей, на основе которого оценивается точность поверхностей уплотнений и их взаимное положение. К низкочастотным отклонениям относятся отклонения линейных и угловых размеров (0), отклонения взаимного положения уплотнений (1), отклонения формы (2). Именно за счёт изменения этих составляющих происходит перераспределение контактных нагрузок в уплотнении затвора. В подтверждение этих положений на рис.5; 6; 7 показаны экспериментальные данные характера распределения контактных нагрузок по зоне уплотнений (развертка уплотнения седла) клиновых задвижек, шаровых кранов, запорных клапанов.
 
 
Рис.5. Распределение контактных нагрузок в уплотнении затвора клиновой задвижки по периметру уплотнения затвора
На каждом из графиков кривые 1; 2; 3 характеризуют распределение нагрузок при действии только усилий управления затвором (Fуп):
1- Fуп =200 Нм; 2 - Fуп =300 Нм; 3 - Fуп =400 Нм; кривые 4; 5 - совместное действие Fуп и усилий от давления среды (Рср): 4 - Рср = 6,4 МПа, 5 - Рср = 9,0 МПа
 
 
Рис.6. Распределение контактных нагрузок по периметру уплотнений затвора крана шарового с системой стяжных шпилек:
а) уплотнение жесткое - «металл - металл»; б) уплотнение мягкое - «металл - фторопласт».
Мст - крутящий момент при сборке; Ру - давление условное испытательное
 
Не погружаясь в глубокое рассмотрение и анализ представленных графических зависимостей, можно констатировать, что исследованные представители трубопроводной ар матуры, а по многим признакам и некоторые другие её виды, имеют базовые конструкции, не обладающие свойствами обеспечивать в эксплуатационном режиме равномерное распределение контактных нагрузок по рабочей уплотнительной поверхности затвора, по всему его периметру. В этом случае возникают дополнительные проблемы не только с осуществлением диагностических процедур, но и всего диагностического процесса в целом. Кроме того, могут ставиться под сомнение важнейшие показатели качества, такие как общий ресурс работы затвора и ресурс герметичности для соответствующего класса, зачастую определяющие работоспособность эксплуатационной системы в целом, когда нарушается функциональное соотношение
Q(t)max ≤ [Qф], где
 
[Qф] – норма функциональной герметичности затвора, определенная на основе физических законов, используемых в технологических процессах работы системы или её базовых элементов;
Q(t)max – максимальное значение функции изменения утечки во времени.
 
 
Рис.7. Распределение контактных нагрузок по периметру уплотнений затвора запорного клапана:
а) при действии сил управления затвором (Fуп); б) при действии сил управления затвором (Fуп) и сжимающих осевых монтажных нагрузок (Fсж); в) при действии сил управления затвором (Fуп) и растягивающих осевых монтажных нагрузок (Fраст)
 
Правильность выбора диагностических параметров с использованием силовых принципов обеспечения герметичности по критерию прослеживаемости на этапах жизненного цикла может быть оценено по результатам анализа структуры жизненного цикла арматуры.
 
В общем случае структура процесса существования продукции, в том числе и трубопроводной арматура, может успешно формироваться на базе единого универсального технологического оператора – строительного элемента (рис.8) многомерного процесса (рис.9) с элементом диагностики. Базовая основа оператора – «черный ящик». В состав технологического оператора входят: «черный ящик», который имеет входы (входные показатели и параметры), внешние возмущающие воздействия, внешние управляющие воздействия и выходы для решения поставленной задачи – объект пристального внимания и изучения.
 
 
Рис.8. Универсальный технологический оператор с элементами диагностики
 
В качестве выходов будут выступать:
1) свойства оператора, не влияющие на последующие этапы или процессы, происходящие в структуре и этими свойствами можно пренебречь;
2) свойства оператора в виде промежуточных показателей качества, которые могут быть отнесены к характеристикам этого оператора и могут быть использованы для диагностики только этого оператора;
3) свойства оператора в виде промежуточных показателей качества, которые могут быть отнесены к характеристикам этого оператора и могут быть использованы как для диагностики последующих элементов общей структуры так и происходящих процессов;
4) свойства оператора и объекта, которые непосредственно влияют на показатели качества и оператора и самого объекта исследования, а также на последующие этапы и процессы.
 
Рис.9. Структурная схема многомерного процесса базового периода существования арматуры с элементами диагностики
 
Выходы, влияющие на оператор, последующие элементы структуры и процессы при соответствующей подготовке могут быть использованы в диагностировании герметичности затвора.
 
Конструкция структуры многомерного процесса предусматривает широкое параметрическое диагностирование арматуры: ДН1 – по исходным функциональным параметрам (ФП) в составе технологического оператора ТО(И) деталей затвора; ДН2 – по герметичности в затворе с учётом силовых воздействий на ФП в составе технологического оператора сборки ТО(СБ) арматуры; ДН3 – по герметичности в затворе с учётом монтажных воздействий на ФП в составе технологического оператора монтажа ТО(М) арматуры; ДН4 – по герметичности в затворе с учётом эксплуатационных воздействий на ФП в составе технологического оператора ТО(Э) арматуры; ДН5 – по состоянию ФП в составе технологического оператора демонтажа и разборки ТО(ДМ и РБ) арматуры; ДН6 – по исходному состоянию ФП в составе технологического оператора ремонта ТО(ВР1…3) деталей затвора; ДН7 – по герметичности в затворе с учётом силовых воздействий на ФП в составе технологического оператора сборки ТО(СБ ВР) отремонтированной арматуры. И далее, диагностирование отремонтированной арматуры при монтаже, эксплуатации, повторном ремонте.
 
Структура многомерного процесса существования продукции сформировала систему диагностических моделей, которые функционально связаны с диагностическими параметрами
 
МОДЕЛИ
 
ПАРАМЕТРЫ
ДН1; ДН5; ДН6
ФГП ≡ [ФГП]
ДН2
Q = f (ФП)
ДН3
ФГП = f (s)
ДН4
ФП = f (Q)
 
Для целей диагностирования герметичности затвора с использованием силового принципа на основе функциональной связи Ру.з., qу, q’у возможно использование только ДН4. Осуществление процесса диагностирования ДН4 предполагает следующее:
1) Герметичность затвора арматуры, которая должна диагностироваться на следующих этапах эксплуатационного цикла, может быть обеспечена любым технологическим способом без ограничений.
 
2) После завершения приемо-сдаточных испытаний или на момент приема арматуры в эксплуатацию должна быть зафиксирована количественная величина утечки (Qi) и соответствующая ей совокупность Ру.з., qу, q’у, как численные значения каждого параметра, имеющего номинальный характер.
 
3) Для ведения диагностических процедур должна быть сформирована база эталонных значений всех диагностических параметров, относительно которых будет в дальнейшем осуществляться оценка технического состояния объекта.
 
Выполнение этих предписаний должно быть реализовано до начала диагностических процедур, на что потребуются значительные материальные и, особенно, временные ресурсы.
 
Для расширения организационно-технических, технологических возможностей диагностической оценки герметичности затвора используются косвенные диагностические параметры. Их можно характеризовать следующим образом.
 
Косвенный диагностический параметр – параметр, имеющий физическую природу, возможность представления численной величиной и характеризовать состояние объекта как в целом, так и его функциональной частью по принятому для диагностирования показателю, не имеющего функциональной связи с показателем качества изделия или его элементами.
 
К таким косвенным диагностическим параметрам могут быть отнесены диагностические параметры, используемые для диагностики затвора электроприводных задвижек и представленные в таблице 5 [15; 16].
 
Анализ содержания третьего и четвертого критериев, характеризующих обоснованность выбора в качестве диагностических, параметры Ру.з., qу, q’у с позиций возможности их измерения и применения для этих и подобных целей известных для практики средств измерений, показал наличие нерешенных технических проблем, препятствующих развитию этого подхода. Важнейшие из них – технические проблемы осуществления прямых измерений qу и q’у непосредственно на каждом рабочем объекте.
Таблица 5
Вторичные по отношению к функциональным параметрам Ру.з., qу, q’у диагностические параметры электроприводной арматуры
Диагностические параметры электроприводной арматуры
А – пусковой ток электродвигателя
B – ток холостого хода
С – ток соударений
D – период выборки зазоров в ходовой гайке
Е – ток на преодоление сопротивления уплотнений штока
F – период выборки зазоров в сопряжениях штока
G – ток срыва (уплотнения) затвора
H – рабочий ток
I – часть вращения червячного колеса
J – частота скольжения электромагнитного поля
К – боковая полоса частоты вращения червячного колеса
L – частота вращения червячного вала
М – частота вращения электродвигателя
N – вторая гармоника частоты вращения червячного вала
Р – время рабочего хода штока арматура
 
 
Что касается Ру.з., то здесь основные проблемы заключаются в выделении из установленной общей нагрузки Ру.з. полезной, функционально необходимой для обеспечения герметичности, нагрузки на уплотнение.
 
Эти проблемные вопросы, в определенном объеме будут затронуты и рассмотрены в следующей заключительной части статьи.
 
ЛИТЕРАТУРА:
13. Межгосударственный стандарт ГОСТ 33257-2015. Арматура трубопроводная. Методы контроля и испытаний.
14. Сейнов С.В., Калашников В.А., Железнов Б.П. Испытания трубопроводной арматуры. М: Издательство стандартов, 1989, 160 с.
15. МТ1.2.3.02.999.0085-2010. Диагностирование трубопроводной электроприводной арматуры. Методика. 2010.
16. РД ЭО 0648-2005. Положение о техническом диагностировании электроприводной трубопроводной промышленной арматуры на энергоблоках атомных станций. 2005.
 
Продолжение следует.