Оптимальное проектирование затворов трубопроводной арматуры

П. М. ОГАР, В. А. ТАРАСОВ





        ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАТВОРОВ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ

Монография













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.646.1
ББК 39.7
     0-36

Рецензент: доктор техничеких наук (0А0 «ИркутскНИИхиммаш», г. Иркутск) Погодин Валерий Константинович

     Огар, П. М.
0-36      Оптимальное проектирование затворов трубопро-
     водной арматуры : монография / П. М. Огар, В. А. Тарасов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 216 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1137-0

     Приведены общие сведения о затворах трубопроводной арматуры, материалах, применяемых в арматуростроении. Представлены схемы конструкций и предложена их классификация по ряду признаков, рассмотрено множество требований к ТА, включая требования, предъявляемые к затвору. Приведены обзор и анализ существующих методов определения герметичности уплотнительных соединений. Рассмотрены вопросы обеспечения долговечности по критериям усталостного разрушения и износа затворов. Представлена дискретная модель шероховатой поверхности при описании опорной кривой профиля параболой и отношением бета-функции. Подробно рассмотрен контакт отдельной неровности при упругом и упругопластическом контактах.
     Для научных работников и специалистов в области машиностроительных технологий.

УДК 621.646.1
                                             ББК 39.7



ISBN 978-5-9729-1137-0  © Огар П. М., Тарасов В. А., 2023
                         © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ВВЕДЕНИЕ


    В условиях рыночной экономики важным фактором является выпуск конкурентоспособной продукции. Совершенствование конструкций герметизирующих устройств, уплотнений и уплотнительной техники связано с ограничением их материалоемкости, минимизацией запасов прочности элементов конструкции при одновременном росте технико-энергетических характеристик - повышением давления и расхода рабочих сред, расширением температурного диапазона - и в значительной мере ограничивается надежностью изоляции сред. Изоляция сред достигается различного вида уплотнительными соединениями (УС), которые относятся к числу основных элементов агрегатов гидравлических, пневматических, топливных систем, затворов трубопроводной арматуры и сосудов высокого давления, определяющих общий уровень надежности технических машин и оборудования. Например, число отказов, связанных с потерей герметичности, составляет до 2/3 числа отказов всех авиационных систем. Создание конкурентноспособных УС предполагает оптимальное сочетание их конструктивных параметров, чтобы основные требуемые свойства - прочность, герметичность и долговечность обеспечивались минимальным усилием герметизации, что приведет к минимальным массогабаритным характеристикам.
    Авторами рассмотрен процесс проектирования затворов специальной запорной трубопроводной арматуры (ТА). Сфера применения запорной ТА очень широка: это авиационная и космическая техника, глубоководные аппараты и морской транспорт, атомная энергетика, химическая и нефтеперерабатывающая промышленность, вакуумная техника, трубопроводный транспорт, гидропневмотопливные системы различных машин, аппаратов и оборудования, коммунальное хозяйство и т. п. Надежность запорной ТА является важнейшей характеристикой машин, аппаратов и оборудования, которая определяет нормальную эксплуатацию, риски аварийных ситуаций, безопасность людей, экологическую обстановку. Многие из перечисленных объектов входят в число важнейших, для которых

3

должны быть решены в начале XXI века проблемы снижения рисков.
     Затворы ТА, состоящие из золотника и седла, являются наиболее важными узлами и обеспечивают герметичность при перекрытии потока рабочей среды. На них приходится до 50 % всех отказов. Для сравнения: на корпусные элементы приходится 10...15 %, на пары трения - 10...15 %.
     Обеспечение функциональной надежности ГС закладывается на стадии проектирования. Из общего числа отказов, связанных с нарушением герметичности, 2/3 обусловлено конструкторско-технологическими дефектами. При совершенствовании конструкций затворов необходимо обеспечение следующих их свойств: герметичности, прочности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.
     Основным свойством в аспекте надежности является герметичность, которая определяется функциональными параметрами уплотнительных поверхностей и сжимающими напряжениями (контактными давлениями герметизации), обеспечивающими требуемые контактные характеристики - относительную площадь контакта и плотность зазоров. К функциональным параметрам относятся геометрические характеристики шероховатости (по ISO 4287-1:1997) и параметры физико-механических свойств материалов. Контактные давления являются основной характеристикой, определяющей габаритно-массовые показатели затворов ТА, их долговечность, энергоемкость привода. В армату-ростроении нормы герметичности регламентированы межгосударственным стандартом ГОСТ 9544-2015, в котором установлены требования к проведению приемо-сдаточных испытаний на герметичность в зависимости от условного прохода DN, номинального давления среды PN и класса герметичности. Существует также нормативный документ, связывающий средний ресурс с величиной контактных давлений (СТ ЦКБА 096-2012), однако наряду с этим отсутствуют нормативные документы по определению нагрузок (усилий, контактных давлений, моментов), обеспечивающих указанные нормы герметичности, что может иметь негативные последствия в плане безопасности. Недостаточная нагруз

4

ка не обеспечит заданной герметичности, перегрузка приведет к уменьшению ресурса или разрушению элементов арматуры.
     В национальном стандарте Российской Федерации ГОСТ Р 53672-2009 «Арматура трубопроводная. Общие требования безопасности» указано, что при проектировании арматуры должны быть обеспечены параметры назначения, включающие утечку рабочей среды через затвор. Это означает, что проектировщиком для конкретной конструкции затвора должны быть указаны усилия герметизации (контактные давления, интенсивность нагрузки), обеспечивающие заданные нормы герметичности.
     На наш взгляд, в этом случае должны быть разработаны нормативные документы в виде программных средств, определяющих оптимальное сочетание исходных конструктивных параметров и усилия герметизации, обеспечивающих заданные нормы герметичности и ресурс. Современная теория проектирования предполагает генерирование значительного числа вариантов проектируемого узла для поиска лучших технических решений. Применительно к проектированию затворов ТА это возможно при математическом описании процесса герметизации, включающем: напряженно-деформированное состояние в зоне контакта; контактирование шероховатых поверхностей под действием сжимающих напряжений; истечение рабочей среды через уплотнительный стык; влияние особенностей эксплуатации. Решение перечисленных вопросов составит научную основу для оптимального проектирования затворов ТА.
     В настоящее время для решения задач трибологии широко используются дискретная модель шероховатости и теория контактирования шероховатых поверхностей, разработанная И. В. Крагельским и Н. Б. Демкиным с учениками, в которой для описания шероховатости используется начальная часть кривой опорной поверхности в виде параболы. Однако использование такой модели для решения задач герметологии приводит к значительным погрешностям, так как для металлических уплотнительных поверхностей значения контактных давлений на два-три порядка выше, чем для узлов трения. Для уплотнительного стыка характерна большая плотность пятен контакта, что при

5

водит к взаимному влиянию неровностей. Поэтому для описания уплотнительного стыка требуется модель шероховатой поверхности, адекватно описывающая реальную поверхность и соответствующая всей опорной кривой, а не только ее начальной части.
    Изначально, в большинстве случаев контакт шероховатых поверхностей является упругопластическим. Для описания упругопластических свойств материалов использована модель упругопластического тела со степенным законом упрочнения, что позволило определить влияние параметров упрочнения на контактные характеристики - относительную площадь контакта и плотность зазоров в стыке.
    Для расчета величины утечки через затвор в настоящее время широко используется закон Дарси для фильтрации через пористое тело. Однако при этом не учитывается важная особенность уплотнительного стыка: в отличие от объемного пористого тела, он образован в результате контакта двух поверхностей. С ростом нагрузки отдельные пятна контакта могут сливаться. Из-за этого доля микроканалов, по которым происходит утечка, с ростом нагрузки уменьшается. Кроме того, при расчетах величины утечки используется модель идеального газа, что приводит к большим погрешностям, особенно при давлениях больше 30 МПа.
    В монографии представлены исследования, направленные на повышение надежности затворов запорной трубопроводной арматуры на этапе проектирования путем создания программных средств, определяющих оптимальное сочетание исходных конструктивных параметров и усилия герметизации, обеспечивающих заданные нормы герметичности, прочность и ресурс.
    В первой главе приведены общие сведения о затворах ТА, материалах, применяемых в арматуростроении, представлены схемы конструкций и предложена их классификация по ряду признаков, рассмотрено множество требований к ТА, включая требования, предъявляемые к затвору.
    Приведены обзор и анализ существующих методов определения герметичности уплотнительных соединений.

6

    Рассмотрены вопросы обеспечения долговечности по критериям усталостного разрушения и износа затворов.
    Для математической постановки задачи оптимального проектирования затворов использован метод исследования пространства параметров, предполагающий многокритериальный подход.
    Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с определением контактных характеристик (относительной площади контакта и плотности зазоров в стыке) и герметизирующей способности уплотнительных соединений.
    Представлена дискретная модель шероховатой поверхности при описании опорной кривой профиля параболой и отношением бета-функции.
    Подробно рассмотрен контакт отдельной неровности при упругом и упругопластическом контактах. Определены критерии начала пластической деформации. При описании упругопластического контакта использовано уравнение жесткости кривой разгрузки диаграммы кинетического индентирования сферы.
    Для описания процесса истечения среды через затвор разработана математическая модель, которая в дальнейшем используется при оптимальном проектировании конструкции затвора.
    Для оценки герметизирующей способности уплотнительного стыка при разных видах контакта введен интегральный показатель, зависящий от параметров микрогеометрии и контактных давлений герметизации.
    Третья глава посвящена определению напряженно-деформированного состояния в области контакта золотника и седла с учетом трения. Рассмотрены вопросы определения: ширины зоны контакта; распределения на ней контактного давления; эквивалентных напряжений.
    Рассмотрены особенности контакта, связанные с изменением начальных параметров: ширины зоны контакта при начальном контакте вдоль полосы и угла нормали при начальном контакте вдоль линии.
    В четвертой главе описана методика синтеза затворов с заданными эксплуатационными показателями и приведены при

7

меры оптимального проектирования затворов трубопроводной арматуры.
    В основу монография положены результаты научных исследований, проведенных при поддержке Минобрнауки России в рамках госзадания № 2014/10 (проект № 1754).

8

ГЛАВА 1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ЗАТВОРОВ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ

1.1. Общие сведения о затворах трубопроводной арматуры

    Терминология. Затворами ТА принято называть уплотнительные устройства периодического действия, предназначенные для перекрытия потока рабочей среды. В соответствии с ГОСТ 52720-2007 «Арматура трубопроводная. Термины и определения», «затвор» - совокупность подвижных (золотник, диск, клин, шибер, плунжер и др.) и неподвижных (седло) элементов арматуры, образующих проходное сечение и соединение, препятствующее протеканию рабочей среды. Там же указано, что «седло» - элемент затвора, установленный или сформированный в корпусе арматуры; «запирающий элемент» (не рекомендуется: захлопка, запирающий орган, запорный орган, затвор) - подвижная часть затвора, связанная с приводом, позволяющая при взаимодействии с седлом осуществлять управление потоком сред путем изменения проходного сечения и обеспечивать определенную герметичность; «золотник» - подвижный запирающий элемент затвора клапанов. Здесь «клапан» - как тип арматуры, у которой запирающий или регулирующий элемент перемещается параллельно оси потока рабочей среды.
    В зависимости от формы, золотник может быть тарельчатым, поршневым (цилиндрическим), сферическим, игольчатым; в зависимости от конструктивного исполнения уплотнительной поверхности - плоским, конусным, тороидальным, сферическим.
    В ряде работ, например [46, 47, 181 и др.], подразумевая «затвор», авторы используют термин «клапанное уплотнение». В соответствии с ГОСТ 52720-2007 такой термин не применяется, имеется термин «уплотнение»: совокупность сопрягаемых элементов арматуры, обеспечивающих необходимую герметичность подвижных или неподвижных соединений деталей (узлов) арматуры. Поэтому под «клапанным уплотнением» будем понимать затвор клапана.


9

    Классификация затворов ТА, построенная на основе анализа характера взаимодействия контактирующих уплотнительных элементов и возникающих в процессе герметизации деформаций, позволяет оценивать различные конструктивные схемы затворов.
    При проектировании затворов используют следующие основные приемы уменьшения утечки (методы герметизации):
    1)      увеличение их гидравлического сопротивления за счет: а) технологических методов - прецизионной обработки контактирующих поверхностей с целью уменьшения высотных параметров макро- и микронеровностей; б) увеличения деформации неровностей путем нагружения контакта сжимающими напряжениями или применения эластичных или пластичных материалов; в) соответствующего выбора макропрофиля контактирующих деталей, определяющего ширину зоны контакта и распределение контактной нагрузки;
    2)      заполнение зазоров герметизируемой или разделительной средой и возможное воздействие на нее того или иного энергетического фактора (гидростатического давления, электромагнитного поля, температурного воздействия и т. п.).
    Возможны комбинации указанных методов герметизации. По материалу контактирующих элементов выделяют затворы, образованные контактом металлического и неметаллического элементов (металл-полимер, металл-керамика), металлических элементов (металл-металл) и контактом неметаллических элементов (полимер-полимер, керамика-керамика). Керамика обычно используется с различными металлическими покрытиями. С ростом энергетических параметров рабочей среды (давления, температуры) возрастает вероятность использования металлических и металлокерамических затворов. При Т > 300 ° С и р > 40 МПа, как правило, используются металл-металлические и металл-керамические затворы.
    Усилие герметизации и работоспособность затворов в значительной степени зависят от жесткости контактирующих элементов. Анализируя затворы по жесткости контактирующих

10