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.

Введение

В свое время широкое распространение шаровые краны получили именно благодаря созданию полимерных седел, способных удерживать высокие давления и температуры и обеспечивать требуемую герметичность. Это произошло в 30-е годы 20-го века, когда был изобретен тефлон. С его широким распространением начали производиться в большом количестве и шаровые краны с мягкими уплотнениями.

Сегодня шаровые краны и дисковые затворы с полимерными уплотнениями нашли свою нишу и успешно конкурируют с поворотной арматурой с эластомерными уплотнениями и уплотнениями металл по металлу. Многие компании научились производить уплотнения как самостоятельно, так и используют уплотнения, производимые специализированными компаниями. Количество марок полимеров, особенно на основе фторопластов, каждый год прибавляется. Они обеспечивают работу арматуры в разных условиях эксплуатации, и для этого в них формируют специфический подбор механических и антикоррозионных свойств и других свойств в зависимости от требований заказчика.

Современный подход к выбору и изготовлению уплотнений и седел шаровых кранов и дисковых затворов, а также другой поворотной арматуры предполагает хорошее знание материалов, типов затворов арматуры, технологий изготовления и проблем, которые могут возникнуть в связи с неправильным выбором оптимального типа материала седла, отсутствием соответствующих нагрузок расчетов, отклонений качества уплотнения в связи с несовершенством технологии.

Большую роль в развитии использования полимерных седел начинают играть 3D-технологии моделирования и изготовления уплотнений методами 3D-печати. Особенно важно представить именно эту технологию, поскольку традиционные виды технологии, такие как изготовление методами механической обработки из трубной заготовки, спекание на горячих прессах, литье на термопластавтоматах имеют значительные ограничения как капиталоемкости такого производства, рассчитанного в целом на высокую серийность и массовость потребления, по срокам изготовления, трудоемкости технологической подготовке производства и использованию ограниченного ассортимента уплотнений достаточно простых форм.

Роль новых видов изготовления уплотнений возрастает с ростом используемых номинальных диаметров поворотной арматуры. Уже сейчас средние диаметры на многих непрерывных крупнотоннажных производствах превышают DN300-500мм. Размеры в 1500 мм уже не являются редкостью, а некоторые виды шаровых кранов уже работают на диаметре 1640мм. Для дисковых затворов такие размеры только самое начало. На крупных металлургических производствах можно встретит поворотные дисковые затворы диаметров и 2000 и даже 4000 мм. Здесь традиционная технология изготовления полимерных уплотнений и седел начинает сдавать свои позиции.

Рис.1.1. Уплотнения шарового крана DN 800мм, Констафтор 300С [1]

Проблема применения пластмасс охватывает ряд вопросов от выбора материала, типа конструкции, выбора способа изготовления, оборудования, разработки технологии изготовления, испытания, расчета экономической эффективности. Подход к выбору применения пластмасс в уплотнениях и седлах арматуры должен быть системным, охватывающим все этапы от выбора пластмасс до изготовления уплотнений.

Выбор пластмасс основывается на знании эксплуатационных, определяющих работоспособность пластмасс в условиях эксплуатации в арматуре, и технологических свойств, определяющих поведение пластмасс при переработке различными методами. Для рационального выбора важна систематизация условий эксплуатации требований к эксплуатационным свойствам пластмасс в уплотнениях. Процедуру выбора пластмасс облегчает анализ основных свойств различных, уже применяющихся пластмасс, их преимуществ и ограничений по применению, а также классификация пластмасс по эксплуатационному назначению с рекомендациями по их рациональному применению. При подборе должны учитываться методы переработки, условия подготовки к переработке и формованию.

Рациональный подбор основывается на знании марочного ассортимента полимеров и анализе тенденций изменения их свойств при создании композиционных материалов. В курсе приводятся основные данные, необходимые для выбора материала для уплотнений. Большое внимание мы уделим перспективным технологиям и разработке новых видов конструктивных решений на основе понимания законов развития технических систем.

Задачей, поставленной в представленном материале является:

— предоставить обзор современных конструкций затворов и используемых материалов;

— показать направления развития технологий применения и изготовления полимерных уплотнений поворотной арматуры;

— представить новые решения на основе моделирования на основе методов МКЭ в программной оболочке ANSYS;

— дать представление о возможностях 3D-печати в области создания новых типов уплотнений.