Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Запорные клапаны на высокие параметры: исследования и проектирование

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 791531.01.99
Проанализирован и обобщен опыт отечественного и зарубежного проектирования запорных клапанов на высокие и сверхвысокие давления. Предложены методы расчета усилий и геометрических параметров деталей и узлов с учетом податливости, трения и условий герметизации. Приведены результаты исследований, которые позволили разработать рекомендации по совершенствованию действующих и разработке новых нормативных документов для проектирования и создания запорных клапанов. Для специалистов предприятий химической, нефтехимической, энергетической и других отраслей промышленности, занимающихся импортозамещением трубопроводной арматуры. Может быть полезно для научно-исследовательских и проектных организаций, машиностроительных предприятий, в том числе при подготовке аспирантов и студентов.
Погодин, В. К. Запорные клапаны на высокие параметры: исследования и проектирование : монография / В. К. Погодин ; под ред. д. т. н., проф. П. М. Огара. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 416 с. - ISBN 978-5-9729-1013-7. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1902761 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.

В. К. Погодин





ЗАПОРНЫЕ КЛАПАНЫ НА ВЫСОКИЕ ПАРАМЕТРЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Монография

Под редакцией доктора технических наук, профессора П. М. Огара










Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.646.98:622.692
ББК 39.71
     П43



Рецензенты:
доктор технических наук, профессор кафедры МиОК СПбПУ | А. М. Долотов;|
доктор технических наук, профессор кафедры инженерной экологии и альтернативной энергетики МАМУ (г. Москва) Г. В. Божко




    Погодин, В. К.
П43       Запорные клапаны на высокие параметры. Исследования и проектиро-
     вание : монография / В. К. Погодин ; под ред. д. т. н., проф. П. М. Огара. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 416 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1013-7

     Проанализирован и обобщен опыт отечественного и зарубежного проектирования запорных клапанов на высокие и сверхвысокие давления. Предложены методы расчета усилий и геометрических параметров деталей и узлов с учетом податливости, трения и условий герметизации. Приведены результаты исследований, которые позволили разработать рекомендации по совершенствованию действующих и разработке новых нормативных документов для проектирования и создания запорных клапанов.
     Для специалистов предприятий химической, нефтехимической, энергетической и других отраслей промышленности, занимающихся импортозамеще-нием трубопроводной арматуры. Может быть полезно для научно-исследовательских и проектных организаций, машиностроительных предприятий, в том числе при подготовке аспирантов и студентов.

                                               УДК 621.646.98:622.692
                                               ББК 39.71







ISBN 978-5-9729-1013-7

     © Погодин В. К., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

    ВВЕДЕНИЕ


      Применение в современных технологических процессах высоких и сверхвысоких давлений позволяет изменять свойства материалов, получать новые материалы, что открывает большие возможности для развития науки и техники, а также создания новых производств.
      Высокие и сверхвысокие давления от 10 до 500 МПа находят применение в нефтегазовом комплексе. Сверхвысокие давления до 250 МПа при температуре 300 °С используются в установках производств для полимеризации полиэтилена. Известны методы выращивания искусственных кристаллов кварца, изумрудов, рубинов и других минералов при давлениях от 70 до 150 МПа и температуре 400 °С, а также примеры применения таких давлений при проведении перспективных исследовательских работ.
      В последние годы практика развития новых производств и поддержания в рабочем состоянии действующих предприятий связана с интенсивным использованием в основном импортного оборудования, что не способствует развитию отечественного машиностроения, в частности арматуростроения.
      Известно, что для управления потоками жидкостей и газов в оборудовании высокого их и сверхвысокого давления широко используют трубопроводную арматуру (ТА), потребности в которой с каждым годом возрастают.
      В настоящее время приобрела актуальность проблема импортозамещения ТА, которая по оценке арматуростроителей не решается уже более 25 лет ввиду отсутствия комплексного подхода, предполагающего выполнение ряда практических мероприятий, в том числе:
      - создание новых сталей, сплавов и других материалов;
      - оснащение предприятий современными технологиями и оборудованием;
      - проведение исследований механизма работы ТА;
      -       разработка перспективных конструкций ТА для развития инновационных технологий и производств;
      -       пересмотр существующей нормативной базы для расчета и проектирования ТА;
      -       создание экспериментальнвх центров, оснащенных их современным испытательным оборудованием;
      -       подготовка специалистов для успешного и качественного выполнения перечисленных выше задач.
      В отсутствии альтернативы запорные клапаны на высокие и сверхвысокие давления в основном приобретаются по импорту, доля их потребления только в нефтегазовом комплексе составляет 9 % от всего объема отечественной и импортной ТА.
      Необходимость приобретения этой ТА по импорту можно объяснить особенностями разработки и изготовления клапанов, к которым следует отнести:
      -       отсутствие отработанных методик расчета и нормативных материалов для проектирования;
      -       необходимость использования дорогостоящего оборудования для изготовления и испытания запорных клапанов при высоких параметрах;
      - высокие требования к точности и качеству изготовления;

3

      -       трудности с обеспечением герметичности в узлах и соединениях в особенности при работе с ядовитыми и огнеопасными газообразными продуктами;
      -       повышенная склонность к эрозионным явлениям при наличии даже незначительных дефектов на уплотнительных поверхностях;
      -       снижение механических свойств применяемых материалов при высоких температурах и давлениях;
      -       высокая чувствительность к разрушению деталей из-за конструктивных погрешностей и особенностей деталей, дефектов материалов, эксплуатационных ошибок.
      Проектирование запорных клапанов без учета перечисленных причин может привести к аварийным ситуациям, загрязнению окружающей среды, а также к человеческим жертвам. Решение этой проблемы отпугивает исследователей своей сложностью и опасностью при проведении экспериментальных исследований, а также ответственностью за принимаемые технические решения. Эти обстоятельства приводят к резкому снижению необходимых исследований, что подтверждается ощутимым сокращением количества научных публикаций по этой проблеме.
      Перечисленные причины, а также насущная потребность в импортозамеще-нии запорных клапанов послужили поводом для подготовки этой книги.
      Анализ технологий, применяемых для создания и эксплуатации запорных клапанов, демонстрирует отсутствие системного подхода к их проектированию, расчету и эксплуатации, что не позволяет с единых позиций создавать новые работоспособные конструкции данного оборудования, соответствующие требованиям принятых в России технических регламентов.
      В основе надежности запорной арматуры при ее проектировании и изготовлении лежит соблюдение требований безопасности, изложенных в технических регламентах Таможенного союза:
      -       при номинальном диаметре до 25 мм - по ТР ТС 010/2011 « О безопасности машин и оборудования»;
      -       при номинальном диаметре свыше 25 мм - по ТР ТС 032/2013 «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением».
      Для формирования системного подхода к созданию запорных клапанов в соответствии с требованиями технических регламентов исследованы отечественные и зарубежные конструкции с учетом опыта их эксплуатации на производствах, материалы для изготовления деталей, а также механизмы взаимодействия деталей и узлов в реальных условиях. Кроме того, в книге приводятся конструкции запорных клапанов, применяемых как в области при исследований физико-химических процессов, так и в промышленности при давлениях от 20 до 320 МПа. Для этих конструкций определены характерные типы деталей и характеристики материалов, используемых в узлах при этих параметрах.
      При анализе механизма взаимодействия деталей в узлах и соединениях определены основные процессы, влияющие на работоспособность запорных клапанов. К ним следует отнести прочность, герметичность, коррозию, эрозию, трение и изнашивание.
      Установлено сходство между процессами, происходящими в уплотнительных соединениях (УС) затворов запорных клапанов с процессами, имеющими место в разъемных соединениях (РС), что позволяет использовать разработанные ранее с участием автора технологии создания и эксплуатации РС применительно к узлам

4

запорных клапанов. Для управления данными технологиями и процессами, с учетом механизма взаимодействия деталей ТА, разработаны методики расчета геометрических параметров деталей и усилий, действующих в затворе, PC и сальниковых узлах (СУ). Для оценки работоспособности деталей и узлов в этих методиках использованы критерии прочности и герметичности.
      В качестве критерия (степени) герметичности PC рассматривается принятая в международной практики, величина утечки среды за единицу времени, приходящаяся на единицу длины периметра УС, приведенная к атмосферному давлению. Использование этого критерия позволяет с единых позиций сравнивать различные конструкции затворов и PC в ТА.
      Для использования в расчетах критерия герметичности проведены исследования по определению условий герметизации в УС, затворах и СУ. В частности, определены условия герметизации для узлов запорных клапанов при давлениях до 320 МПа ,что необходимо при разработке ТА для предприятий высокотехнологичных отраслей, в том числе, для производств полиэтилена, синтеза минералов и других производств.
      Материалы исследований могут служить основой для разработки и модернизации конструкций запорных клапанов, методов расчета их геометрических параметров, усилий и напряжений и в целом позволяют определять на стадии проектирования возможность эксплуатации основных деталей и узлов при высоких рабочих параметрах.
      Приведенные в книге результаты исследований и методики расчетов УС, затворов, СУ с оценкой их работоспособности и остаточного ресурса работы по критериям их прочности и герметичности на стадиях проектирования позволяют при импортозамещении создавать новые конструкции запорных клапанов, соответствующие требованиям действующих технологических регламентов и конкретным условиям их эксплуатации.
      В книге использованы результаты многолетних исследований запорных клапанов на высокие и сверхвысокие параметры, которые проводились в АО «Иркутск-НИИхиммаш» при непосредственном участии автора. Обобщение этого опыта позволило автору разработать рекомендации по расчету, проектированию и испытаниям запорных клапанов.
      Автор выражает благодарность тем, кто в течение многих лет помогал формировать представленный в книге материал. Автор помнит и чтит память сотрудников АО «ИркутскНИИхиммаш» В. И. Лившица и А. К. Древина, с которыми начинались исследования по запорным клапанам на высокие параметры.
      Глубокую признательность и благодарность автор выражает С. В. Белоко-быльскому, А. М. Кузнецову, без помощи и поддержке которых этой книги могло не быть, а также А. М. Долотову|, П. М. Огару, В. Д. Продану за плодотворное обсуждение основных результатов работы, критические замечания и рекомендации.
      Отдельную благодарность автор выражает своей супруге А. А. Погодиной за активную помощь и поддержку при подготовке книги к изданию.
      Автор надеется, что представленный в книге материал привлечет интерес специалистов, занимающихся импортозамещением ТА, эксплуатируемой при высоких параметрах, и будет благодарен читателям, которые пришлют свои замечания и предложения по уточнению и совершенствованию изложенного материала.

5

        ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ


с - напряжение
Стр - расчетное напряжение
Стэкв - эквивалентное напряжение с - интенсивность напряжений or - радиальное напряжение ot - кольцевое (тангенциальное) напряжение
oz - осевое напряжение [ст] - допускаемое напряжение p - расчетное внутреннее давление p а - давление автофретирования p p - рабочее давление
p пр - пробное давление
р тех; р опр - технологическое давление опрессовки
R p - предел текучести
R ро,2 - условный предел текучести
R m - временное сопротивление (предел прочности)
Ri,o/ioⁿ - предел ползучести
Rm/ioⁿ - предел длительной прочности
<р - относительное сужение 8 - относительное удлинение HB - твердость по Бринеллю Е - модуль упругости
р - коэффициент Пуассона
G - модуль сдвига
е - отно сительная деформация а - интенсивность деформаций n в; n т - коэффициенты запаса прочности, соответственно, по временному сопротивлению и пределу текучести

К - коэффициент концентрации напряжений
KCU - ударная вязкость материала а - температурный коэффициент линейного расширения р - угол трения f - коэффициент трения 2 - коэффициент осевой податливости
D - внутренний диаметр трубопровода
Dk - диаметр контакта уплотнительного кольца с уплотнительными поверхностями соединяемых деталей d - диаметр стержня шпильки у - угол наклона уплотнительной поверхности m - число крепежных деталей qi - контактное давление на уплотнительной поверхности q - нормальное удельное усилие по периметру контакта уплотнительных поверхностей
Q з - осевое усилие предварительного нагружения крепежных деталей (усилие затяжки)
Q - полное осевое усилие, действующее на крепежные детали
B - величина утечки уплотняемой среды с единицы периметра контакта уплотнительных поверхностей Р - шаг резьбы

6

       ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ                              
НТД    - нормативно-техническая документация            
ВД     - высокое давление                               
PC     - разъемное соединение                           
УС     - уплотнительное соединение                      
НДС    - напряженно-деформированное состояние           
МКЭ    - метод конечных элементов                       
ТА     - трубопроводная арматура                        
ТО     - техническое обслуживание                       
ТС     - техническое состояние                          
ППР    - планово-предупредительный ремонт               
ПДР    - планово-диагностический ремонт                 
СТО    - стандарт организации                           
ИДСУЭР - информационно-диагностическая система          
       управления эксплуатацией и ремонтом              
ТО и Р - техническое обслуживание и ремонт              
ОФС    - система ТО и Р по фактическому состоянию       
РТО    - реагирующее техническое обслуживание           
ПАО    - система проактивного обслуживания              
ПДР-I  - система ОФС с планированием сроков ремонта     
ПДР-II - система ОФС с планированием сроков диагностиче-
       ских проверок                                    
ТУ     - технические условия                            
ЗК     - запорный клапан                                
ТР     - технический регламент                          
БРС    - бугельное разъемное соединение                 
СУ     - сальниковый узел                               
ЗУ     - затворный узел                                 
ТРГ    - терморасширенный графит                        

7

ГЛАВА 1


        КОНСТРУКЦИИ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ НА ВЫСОКИЕ И СВЕРХВЫСОКИЕ ПАРАМЕТРЫ

     В составе оборудования, работающего под избыточным давлением (трубопроводы, сосуды, аппараты, насосы, компрессоры и др.) и используемого в установках, цехах, на заводах для производств, связанных с добычей, получением и переработкой различных продуктов и материалов, необходимых для обеспечения населения, широко применяется трубопроводная арматура (ТА).
     Известны случаи, когда разгерметизация ТА была причиной аварий на опасных промышленных объектах с человеческими жертвами и огромными экономическими потерями, поэтому с каждым годом предъявляются все более высокие требования к герметичности и экологической безопасности ТА. Как правило, разгерметизации происходят из-за нарушения правил эксплуатации, а также несоответствия выбранной конструкции ТА рабочим условиям эксплуатации. Учитывая это, конструкции ТА требуют постоянного совершенствования путем разработки и замены на новые или модернизации существующих конструкций
     Для наиболее эффективного совершенствования ТА необходимо владеть определенной терминологией, которая позволяет единообразно описывать ее конструкцию, соединяемые и крепежные детали, а также существующие варианты их конструктивного исполнения. С этой целью в данной главе представлены варианты конструкций ТА, наиболее часто используемых в отечественных отраслях промышленности.
     ТА - это устройства, устанавливаемые на трубопроводах и других типах оборудования (агрегатах, сосудах) и обеспечивающие управление ( отключение, распределение, регулирование, смешивание, фазоразделение и др.) потоками рабочих сред путем изменения проходного отверстия в них. Степень сложности устройств определяется количеством и конструкцией используемых деталей.
     Деталь - это изделие, изготовленное из материала одной марки без применения сборочных операций (сварка, пайка, склеивание, завинчивание).
     Элемент - это часть детали, предназначенная для выполнения определенной (специальной) характерной для нее функции, например, уплотнительная поверхность отвода корпуса ТА для размещения уплотнительного кольца, резьбовые поверхности на шпильках и в отверстиях для размещения шпилек на резьбовом фланце, а также корпусе ТА и т. д.
     Сборочной единицей (узлом) называется совокупность деталей, соединенных между собой с помощью сборочных операций (завинчиванием, сваркой и т. д.) в конструкцию, предназначенную для совместной работы. Простейший узел может быть составной частью более сложного узла, который в свою очередь является узлом другого еще более сложного узла или изделия.


8

     Использование деталей и узлов в конструкциях ТА позволяет применять для их изготовления различные материалы, что облегчает их изготовление, эксплуатацию и ремонт.
     При выборе конструкции ТА для конкретных условий ее работы пользуются определениями в соответствии с отечественными или международными стандартами [1]. В книге приняты следующие определения:
     -       типоразмер ТА определяет ее конструкцию и параметры, регламентированные номинальным диаметром (условным проходом), номинальным давлением (условным давлением) в соответствии с обозначением основного группового конструкторского документа;
     -       исполнение ТА устанавливает для конкретного типа , кроме условного прохода и условного давления, сведения о материалах основных деталей, способ присоединения к трубопроводу, вид управления и др., которые должны соответствовать основному конструкторскому документу и конкретному коду ОКП.
     ТА промышленного назначения имеет многоотраслевое применение, что исключает предъявление к ней каких-либо конкретных требований. В то же время практика показывает, что универсальной ТА, удовлетворяющей любым рабочим условиям ее эксплуатации, не существует. С учетом этого разрабатывают и изготавливают ТА специального назначения, удовлетворяющую требованиям, связанным с ее применением в конкретных (специальных) условиях эксплуатации.
     Промышленную и специальную ТА разделяют по видам и типам. Вид ТА определяет ее функциональное назначение.
     По функциональному назначению промышленную ТА подразделяют на следующие основные классы:
     -      запорная.;
     -      регулирующая;
     -      распределительная;
     -      предохранительная;
     -      защитная (отсечная);
     -      фазоразделительная.
     При разработке, изготовлении и эксплуатации ТА следует учитывать ее важную и ответственную роль в промышленном оборудовании - конструкция должна выдерживать без разрушения деталей давление среды и обеспечивать герметичность соединяемых элементов.
     Наиболее широкое применение нашла запорная ТА, которая служит в основном для перекрытия потока рабочей среды.
     Конструктивные особенности ТА существенно зависят от направления перемещения в ней подвижной детали с запирающим или регулирующим элементами и от потока рабочей среды. В зависимости от этого ТА разделяют на типы: задвижка, клапан, кран, заслонка и др.
     Каждый тип ТА имеет свой механизм взаимодействия входящих в нее деталей и свои условия обеспечения герметичности и безопасности. По принципу перекрытия потока запорную ТА разделяют на клапанную и золотниковую.

9

     В значительной степени работоспособность и безопасность клапанов зависит от конструктивного оформления и технического состояния затвора, сальниковых узлов (СУ), разъемных (PC) и уплотнительных (УС) соединений.
     Затвор представляет собой совокупность подвижной (шпиндель, шток, золотник и т. п.) и неподвижной ( седло) деталей или их элементов, образующих проходное сечение при открытом затворе или герметичность УС - при закрытом затворе .
     Сальниковый узел (СУ) состоит из пакета сальниковой набивки (или колец), размещенного в корпусе клапана или сальниковой коробке и предназначенного для уплотнения плунжера, штока или шпинделя путем его поджатия грундбуксой или крышкой.
     Разъемные соединения (PC) - это совокупность деталей с конструктивными элементами, обеспечивающими закрытие (открытие) и герметичность мест стыка соединяемых деталей в условиях эксплуатации, включая УС и крепежные детали. РС может быть образовано при присоединении концевых частей трубопроводов между собой, а также концевых частей другого оборудования с клапаном. В литературных источниках и нормативных документах вместо термина «РС» также часто используют другие термины - «затвор» или «затворный» узел.
     Уплотнительные соединения (УС - это составляющая часть РС, включающая в себя, в зависимости от применения их в этих узлах, детали с элементами в виде уплотнительных поверхностей. В затворе такими деталей являются шпиндель, шток или золотник в сочетании с седлом, в РС это либо непосредственно соединяемые детали, либо соединяемые детали в сочетании с уплотнительным кольцом, которое обеспечивает герметичность данных узлов.
     Крепежные соединения (резьбовые, муфтовые, байонетные, бугельные, рамные и др.), крепежные детали (шпильки, болты, гайки, закладные сектора, скобы и др.) и элементы (резьбы, резьбовые гнезда, кольцевые выступы, гнезда под закладные сектора и др.) предназначены для удерживания в заданном положении относительно друг друга соединяемые детали в ТА или в оборудовании в рабочих условиях.
     Названия конструкций - затвор, РС, СУ, УС в соответствии с существующими классификациями устанавливаются, как увидим далее, по виду используемых в них конструкций УС или крепежных соединений, деталей и элементов. Установлено, что конструктивное оформление этих конструкций в значительной степени определяется особенностями технологического процесса, происходящего в оборудовании и ТА, а также диапазонами температурного режима и давления среды, при которых они используются.
     По температурному режиму ТА разделяют на следующие категории:
     -      обычная - от минус 40 до плюс 450 ⁰С;
     -      для высоких температур - от 450 до 600 ⁰С;
     -      жаропрочная - для температур свыше 600 ⁰С.
     Следует обратить внимание на то, что условия применения рекомендованных существующими стандартами конструкций затворов, РС, СУ, УС часто требуют уточнения и проверки с учетом конкретных условий их эксплуатации.

10