Полимерные седла поворотной арматуры. Современные подходы к выбору и изготовлению

Станислав Львович Горобченко, 2021

В монографии разрабатываются способы повышения эффективности выбора, изготовления и применения полимерных седел шаровых кранов и дисковых затворов большого диаметра с использованием численного моделирования и оценивается перспективность изготовления седел новой конструкции методом 3D-печати. Разрабатываются модели седел с ребрами жесткости из дешевых пластиков, применяемых в 3D-печати, не уступающие седлам сплошного сечения из дорогих фторопластов для магистральных водоводов. Представлены подходы к технологическому прогнозированию потребности изделий из пластика на длительную перспективу. Книга предназначена для специалистов по трубопроводной арматуре и эксплуатирующих арматуру отраслей, а также для студентов старших курсов профильных специализаций.

Раздел 1. Обзор применяемых затворов

1.1. Затворы шаровых кранов и клапанов

Шаровые краны могут иметь плавающий шар и шар в опорах (с фиксированной осью). Уплотнение затвора в кранах с плавающим шаром происходит путем самоуплотнения, так как шар под действием давления рабочей среды прижимается к седлу. Такие конструкции для управления требуют больших крутящих моментов, а, следовательно, приводов большой мощности.

В кранах больших размеров, например, в магистральных шаровых кранах, предпочтительны конструкции с шаром в опорах. При этом шар с двумя цапфами поворачивается вокруг фиксированной оси, образованной двумя цапфами, а уплотнение осуществляется подвижными седлами, поджимаемыми к шару пружинами, расположенными по окружности седла, или резиновым поджимным кольцом, Уплотнительные кольца, установленные на седле, могут изготовляться из резины, фторопласта, капролона, фторопласта с наполнителями, полиуретана, терморасширенного графита или бронзы. Высокие эксплуатационные качества показали

уплотнительные кольца из резины, марка которой подбирается в зависимости от условий эксплуатации крана.

Непременным условием работоспособности резиновых колец является высокая твердость резины. Хорошо зарекомендовали себя резиновые уплотнительные кольца, покрытые фторопластовой пленкой.

Для уплотнительных колец и уплотнений по штоку используется чистый или наполненный фторопласт, как химически стойкий, так и обладающий низким коэффициентом трения (менее 0,1). Однако фторопласт теряет свои свойства при температурах выше 100°С, а при температуре 230°С его стойкость падает до 0⁰С. Это вынудило использовать графики зависимости рабочего давления от температуры для мягких уплотнений кранов. Указанная зависимость для чистого фторопласта регламентирована BS 5351 (рис. 1.2.).

Рис. 1.2. Зависимость рабочего давления в шаровых кранах с уплотнениями

из чистого фторопласта от температуры: А — 2”; B — 3“; C — 6”… 8”; D — 10”… 8”

Нейлоны, полиэстер кетоны (РЕЕК), флубон и другие модификации фторопласта, графитовые уплотнения, обычно терморасширенный графит, используются для повышения стойкости при высоких давлениях и температурах.

В табл. 1.1 приведены конструкции подвижных седел шаровых кранов с пробкой в опорах.

Таблица 1.1. Конструкции подвижных седел шаровых кранов с шаром на опорах

В связи с повышенными усилиями, действующими на седлах шаровых кранов больших диаметров прохода, и значительным износом уплотнительных поверхностей под действием этих усилий в некоторых конструкциях предусматривается автоматический отжим уплотнительных колец давлением рабочей среды (газом в газовых магистральных кранах) перед поворотом шара и подача густой смазки в затвор. Эти действия выполняются автоматически, что предусмотрено системой управления краном, имеющей сложную схему и включающей соответствующие блоки управления, электромагнитные клапаны и другие элементы.

Подвижные седла, снабженные уплотнительными кольцами, расположены в цилиндрических расточках корпуса крана.

Для больших перепадов давления, особенно в шаровых кранах, работающих в режиме дросселирования, применяются многослойные уплотнения, состоящие из чередующихся колец, изготовленных из металла и терморасширенного графита (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Многослойное уплотнение шарового крана

Получая возможность расширяться, проходя через входное сечение, или сжиматься на выходе, поток испытывает пульсации давления, следуя мимо слоев металла и графита. Процесс аналогичен происходящему в многоступенчатом редукционном клапане, в данном случае каждый слой графита воспринимает только частичную нагрузку от общего перепада давления.

Многослойная конструкция уплотнительных колец металл — графит позволяет эксплуатировать шаровые краны при температурах 400…600 °С.

1.2. Уплотнения дисковых затворов

Наиболее распространенными конструкциями этой арматуры являются дисковые затворы с дисками, расположенными соосно с осями трубопроводов и приводных валов. В этих затворах устанавливаются вкладыши из синтетического каучука, которые защищают материал корпусов от коррозии и выполняют функции обеспечения герметичности в основных седлах и уплотнениях валов. Марка синтетического каучука для вкладышей выбирается в зависимости от рабочей среды и ее параметров. В качестве примера на рис. 1.4 показана конструкция дискового затвора Санкт-петербургской фирмы «Арматэк».

а)

б)

Рис. 1.4. Дисковый затвор с эластичным вкладышем

а) — общий чертеж

б) — общий вид и отдельные элементы конструкции

В дисковых затворах с эксцентрично расположенными дисками без эластичных вкладышей валы или цапфы размещаются в области, определяемой перпендикулярами к образующей уплотнительного конуса, восстановленными из точки, расположенной у входа в уплотнительный конус длинной стороны диска (наружной образующей конуса уплотнения большего диаметра), и на меньшем диаметре конуса, аналогично показанной для обратных затворов.

Уплотнения могут выполняться без эластомерных элементов (металл по металлу), с кольцами, установленными в седлах (рис. 1.5) или на дисках (рис. 1.6). Применяются кольца как круглого, так и некруглого сечения.

Рис. 1.5. Эластомерное кольцо, установленное в седле

Рис. 1.6. Эластомерное кольцо, установленное на диске

Перспективными показали себя многослойные уплотнения, устанавливаемые в корпусе (рис. 1.7) или в диске (рис. 1.8). В уплотнительных пакетах поочередно устанавливаются кольца из металла и мягкого уплотнительного материала, для использования на высокотемпературных средах и для пожаробезопасной арматуры применяется терморасширенный графит.

Рис. 1.7. Уплотнение, установленное в корпусе (фирма Samson):

Рис. 1.8. Уплотнение, установленное в диске

Запирающие элементы

Запирающие элементы служат для герметичного перекрытия отверстий в седлах корпусов запорной арматуры. К запирающим элементам относятся золотники и тарелки в клапанах, диски и клинья в задвижках, пробки, в т.ч. шары, в кранах, диски в запорных и обратных поворотных затворах. Форма и размеры запирающих элементов определяются конструкцией и размерами арматуры.

Простую форму имеют запирающие элементы клапанов, они представляют собой диски с элементами присоединения к штоку. В некоторых конструкциях клапанов малого диаметра роль запирающего элемента выполняет нижняя конусная часть шпинделя или штока. Наиболее сложную конструкцию имеют клинья задвижек большого диаметра.

На запирающем элементе должны быть предусмотрены четыре следующие основные устройства: пластина для перекрытия прохода в седле, уплотнительные поверхности для герметизации, присоединение к шпинделю или штоку и направляющие устройства для направления в корпусе или по крышке. В некоторых конструкциях арматуры последнее может отсутствовать, например, в клапанах малых размеров, кранах, заслонках, мембранных клапанах и шланговых задвижках.

Направление золотника (тарелки) может быть нижним — «перья» золотника направляются в отверстии седла, или верхним — тело золотника направляется в расточке корпуса или крышки. В запирающих элементах задвижек предусматриваются пазы или гребни, которые направляются соответствующими выступами или пазами в корпусе. Пробка конусного или цилиндрического крана направляется в корпусе своей рабочей поверхностью. В шаровом кране шар может быть плавающим — при малых DN, или в опорах — при больших. В последнем случае шар направляется своими цапфами, расположенными в подшипниках корпуса и крышки. В затворах диски закреплены на валу, и этим определяется их расположение в корпусе.

Уплотнительные поверхности на запирающих элементах могут выполняться без вставных колец — из материала детали, — со вставными кольцами и с наплавленной кольцевой поверхностью.

Вставные уплотнительные кольца могут изготавливаться из латуни, бронзы, никелевых сплавов, коррозионностойкой стали, резины, фторопласта, полимеров или кожи. Материал уплотнительных колец выбирается в зависимости от физических и химических (коррозионных) свойств рабочей среды и ее энергетических параметров (давление, температура).

На запирающий элемент действуют перестановочное усилие, создаваемое шпинделем или штоком (с учетом силы герметизации), и давление рабочей среды, что должно быть учтено при расчете на прочность. В связи с большими усилиями в задвижках с большими диаметрами прохода и дисковых затворах предусматривают ребра жесткости и упрочняющий обод по окружности диска.

Ресурс арматуры часто определяется ресурсом запирающего элемента, поскольку он в большинстве случаев работает в наиболее сложных условиях: целиком погружен в рабочую среду, подвергается коррозии, его уплотнительные поверхности изнашиваются. В особо сложных условиях работают запирающие элементы энергетической дроссельной арматуры, которые подвергаются интенсивному эрозионному и кавитационному изнашиванию, что приводит к ускоренному выходу из строя. Для повышения срока службы рабочие поверхности на них наплавляются сплавами повышенной стойкости.

Применяются различные конструкторские решения — многокаскадное дросселирование, дробление струи для гашения энергии (перфорированные или клеточные рабочие органы).