Перспективы использования эластичных оболочек в трубопроводной арматуре

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.646.651

Иркутский государственный технический университет

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛАСТИЧНЫХ ОБОЛОЧЕК В ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЕ

Е.С. Попова

Д.А. Стародубцева

Трубопроводная арматура является одним из самых массовых видов технологического оборудования, применяемого практически во всех отраслях промышленности, начиная от обычных систем водоснабжения по линии ЖКХ и заканчивая сложными проектами в области нефтехимии и атомной энергетики [1].

Широкое применение трубопроводной арматуры в разных областях промышленности позволило выделить арматуростроение в важную отрасль машиностроения, выпускающую арматуру различных назначений, размеров и конструкций с использованием разнообразных материалов.

Диапазоны температур, давлений, вязкостей и других свойств различных сред, в которых работает арматура, непрерывно расширяются, поэтому и число проблем, с которыми сталкивается конструктор, несмотря на большое количество выполняемых экспериментальных и теоретических исследований, все время возрастает. В ряде случаев условия эксплуатации и предъявляемые специальные требования не позволяют использовать серийно выпускаемую арматуру, и требуется разработка специальных конструкций. Конструктору приходится решать различные задачи из многих областей: механики, гидравлики, трения и износа, коррозии, прочности и жесткости деталей и т.д. Он должен, прежде всего, учитывать условия работы арматуры и обеспечить надежность и долговечность конструкции, а также ее технологичность и возможность изготовления с малыми затратами. В результате созданная продукция должна обладать высокими качествами. Качество изделия является комплексным показателем его свойств.

При проектировании новых конструкций разрабатывается задание на проект, в которое должны входить следующие основные данные:

1) назначение арматуры;

2) рабочее давление среды;

3) рабочая температура среды;

4) диаметр прохода;

5) строительная длина;

6) способ присоединения к трубопроводу и положение на трубопроводе;

7) коррозионные свойства среды, степень засоренности загрязнителями и абразивными частицами;

8) способ управления арматурой;

9) вязкость среды;

10) класс герметичности или допустимая протечка;

11) пропускная способность арматуры для регуляторов давления, регулирующих и предохранительных клапанов, пропускная характеристика для регулирующих клапанов;

12) продолжительность закрытия и открытия (цикл срабатывания) и периодичность срабатывания;

13) источник энергии и его характеристика (переменный или постоянный ток, напряжение, давление воздуха и т. д.);

14) местонахождение арматуры и условия её обслуживания (взрывозащищенное исполнение, исполнение для тропического климата и др.), в случае необходимости указываются дополнительные требования, необходимые для уточнения конструкции и условия её испытания;

15) ограничение габаритных размеров;

16) ограничение массы;

17) вибропрочность и виброустойчивость;

18) особые условия эксплуатации;

19) особые требования долговечности (ресурс в циклах срабатывания);

20) особые требования надежности;

21) экономические показатели (лимитная, т. е. предельная цена);

22) патентная чистота конструкции [2].

Трубопроводный транспорт, предназначенный для доставки различных веществ, состоит из основных взаимосвязанных элементов: труб определенного диаметра, длины, толщины стенки; химического состава материала и качества поверхности; соединительных (фасонных) частей; арматуры, служащей для изменения и регулирования количества транспортируемого вещества; сооружений на сети (например, колодцев на водоотводящих сетях) [3].

Опыт эксплуатации показал, что наиболее слабым звеном в трубопроводных системах является трубопроводная арматура. По данным ДОАО «ОРГЭНЕРГОГАЗ», производившей обследование арматуры на объектах практически всех газотранспортных предприятий, - менее 20 % арматуры находится в эксплуатации менее 10 лет и более 40 % эксплуатируется свыше 20 лет.

Учитывая тот факт, что большой парк (более 30 %) запорно-регулирующей арматуры выработал свой срок службы, [4], остро стоит вопрос о разработке и внедрении новых, более совершенных конструкций новых материалов.

Классическая трубопроводная арматура представляет собой довольно сложные механические устройства, выполненные из металла, с литым корпусом, состоящим из одной или нескольких частей и подвижным рабочим органом с ручным винтовым или электромеханическим приводом. С целью повышения эксплуатационных свойств основные узлы и детали таких устройств выполняются из коррозионностойких дорогих цветных сплавов. Для изготовления таких устройств необходимо сложное станочное оборудование и непростая технология. При этом требования по точности к изготовлению деталей очень высокие. С увеличением размеров трубопроводов возрастает трудоёмкость и, соответственно, стоимость используемой арматуры.

Давление транспортируемой жидкости в трубопроводах может достигать 10 и более МПа, поэтому величины усилий в приводах арматуры больших диаметров достигают существенных величин. Увеличивается и протяжённость хода подвижных частей приводов. Появляется необходимость использования электромеханических устройств для перемещения рабочих органов арматуры.

В ряде эксплуатируемых конструкций использование электрических приводов затруднено в связи с удалённостью трубопроводов от источников энергии. При отсутствии электрического привода обслуживание такого оборудования становится тяжёлой физической работой. Из всего вышесказанного, проблема модернизации трубопроводной арматуры весьма актуальна. трубопроводной арматура эластичный клапан

Тенденции современного развития техники направлены на увеличение удельных нагрузок, снижение габаритных и весовых характеристик, расширение функциональных возможностей, повышение надежности выпускаемой продукции на базе использования новых технологий.

Благодаря созданию высокопрочных эластичных материалов, оказались возможны новые подходы к решению актуальных вопросов инженерного проектирования. Одним из вариантов таких решений является широкое использование эластичных оболочечных конструкций [5].

Оболочка - одна из самых распространенных в природе конструкций. Одноклеточные и многоклеточные организмы окружает пленка - оболочка. Тело человека и животного заключено в оболочку - кожу. Мускулы - это пучок волокон заключенных в пленку. Вены - кровеносные сосуды, по которым движется кровь, разгоняемая сердцем.

По аналогии с природой основным конструктивным элементом эластичных машин или механизмов является эластичная оболочка, заполненная упругой (рабочей средой). Под действием внешних нагрузок, а также в процессе совершения механической работы наблюдаются значительные перемещения поверхности, оболочки, что приводит к изменению геометрии, объема, соотношения размеров деформированных оболочек. В результате чего совершается работа давления и объема рабочей среды, изменяются геометрические и физические параметры равновесного состояния нагруженной системы.

Совместное использование энергии транспортируемой жидкости или газа и давления в магистрали, в качестве источников энергии для привода арматуры, в сочетании с эластичными элементами и оболочками (эластичной механики) позволяют создать новый вид трубопроводной арматуры - более технологичной, простой и удобной в эксплуатации и, соответственно, более дешёвой.

Трубопроводная арматура, которая использует энергию и давление транспортируемого продукта для переключения клапана, исключая использование каких-либо механических систем и, соответственно, необходимость изготовления сложных, дорогостоящих деталей, повышает надежность, уменьшает металлоемкость, и габариты, облегчает использование устройства в трубопроводах больших диаметров, облегчает и упрощает его обслуживание и эксплуатацию [6].

Использование эластичных оболочек позволяет решить одну из проблем арматуростроения - использование водоводов большого диаметра (от 150 до 1200 мм). Большой диаметр труб - это одновременно и высокие напоры давления и мощности текущей воды. Габариты таких конструкций в несколько раз (до 5) превышают присоединительные размеры запорной арматуры. Так же их отличительной особенностью являются очень большие массовые характеристики. Поэтому идея предложить в качестве источника движения для приводов арматуры энергию и давление самой транспортируемой жидкости или газа, выглядит наиболее оптимальной.

Применение в качестве запорных узлов трубопроводной арматуры элементов эластичной механики, а в качестве привода для перекрытия сечения трубы - энергии транспортируемой жидкости позволяет существенно уменьшить вес запорного устройства, исключая необходимость изготовления сложных дорогостоящих деталей, что повышает надежность, уменьшает металлоемкость и габариты, облегчает использование устройства в трубопроводах больших диаметров, упрощает обслуживание и эксплуатацию.

Использование эластичных оболочечных конструкций облегчает герметизацию, а отсутствие электромеханического привода делает устройство пожаробезопасным. Простота конструкций предлагаемых решений позволяет в разы снизить себестоимость арматуры.

Основные эксплуатационные свойства этих конструкций задаются на стадии проектирования при выборе материалов и способов сборки. Эластичные свойства материала играют роль податливого ограничивающего каркаса, придающего оболочке заданную форму. Единственным конструкционным материалом, отвечающим такому требованию, являются полимеры, к которым относится и резина [7].

Достоинство резины как конструкционного материала: возможность изменения в широких пределах не только ее пластоэластичных характеристик, но и таких параметров, как температурный интервал сохранения эластичности; сопротивление истиранию; стойкость к воздействию воды, агрессивных жидкостей, газов и т. д. Они обладают комплексом свойств конструкционного материала: прочностью, герметичностью, эластичностью, агрессивостойкостью.

Оболочечные конструкции получили широкое распространение почти во всех отраслях техники, строительства и транспорта, благодаря своим уникальным свойствам мобильности, простоте монтажа и демонтажа, эксплуатации в различных условиях. В настоящее время создано более 300 физических моделей: насосы, прессы, сушильные аппараты, вакуумные устройства, задвижки, запорно-регулирующая аппаратура, смесители, средства транспортировки грузов и многое другое.

В настоящее время учеными и изобретателями предложен ряд схем нового вида арматуры, основанного на использовании эластичных оболочек [8-10]. Анализ информации по применению эластичных оболочечных материалов в трубопроводной арматуре показал, что новые изделия зачастую обладают принципиальной новизной, они дешевле и могут иметь заметные эксплуатационные преимущества.

Сегодня трубопроводная арматура, изготовленная на базе использования элементов эластичной механики, позволяет создать новый вид трубопроводной арматуры, более технологичной, простой и удобной в эксплуатации. Новые конструкции, использующие эластичные материалы и оболочки, перспективны и обладают очевидными преимуществами в силу своей технологичности при изготовлении, более широкого диапазона эксплуатационных свойств и более низкой стоимости.

Библиографический список

1. Гуревич Д.Ф., Шпаков О.Н. Справочник конструктора трубопроводной арматуры. - Л.: Машиностроение, 1987. - 518 с.

2. Храменков С.В., Примин О.Г., Орлов В.А. Реконструкция трубопроводных систем. - М.: Изд-во ассоциации строительных вузов, 2008. - 216 с.

3. Шихирин В.Н. Ионова В.Ф., Шальнев О.В., Котляренко В.И. Эластичные механизмы и конструкции: монография. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. - 286 с.

4. Кольцов В.П., Попова Е.С., Герасимова Е.О. Трубопроводная арматура нового поколения // Вестник ИрГТУ. - 2011. - №9. - С. 27-35.

5. Торовые технологии: материалы VII Международной науч.-практ. конф. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. - 224 с.

6. Пат. РФ № 2267045 МПК7 кл. F16К 3/00, 3/28. Запорное устройство для перекрытия трубопроводов / В.П. Кольцов, Е.В. Моргач: опубл. 27. 12. 2005. Бюл. №36.

7. Пат. РФ № 2267046 МПК7 кл. F16К 3/00. Запорное устройство для перекрытия трубопроводов / В.П. Кольцов, Е.В. Моргач, В.Р. Чупин; опубл. 27. 12. 2005. Бюл. №36.

8. Пат. РФ № 2278312 МПК кл. F16К 7/07. Запорное устройство для перекрытия трубопроводов / В.П. Кольцов, Е.В. Моргач, И.Д. Феоктистов; опубл. 20.06.2006. Бюл. №17.

Аннотация

В последние десятилетия при разработке новых конструкций трубопроводной арматуры всё большее внимание уделяется использованию эластичных материалов и оболочек взамен традиционно жёстких элементов арматуры. Данные устройства позволяют использовать энергию и давление транспортируемого продукта для переключения клапана, исключая использование каких-либо механических систем и, соответственно, необходимость изготовления сложных, дорогостоящих деталей, что повышает надежность, уменьшает металлоемкость и габариты, создает возможность использования устройства в трубопроводах больших диаметров, облегчает и упрощает его обслуживание и эксплуатацию.

Ключевые слова: трубопроводная арматура; арматуростроение; задвижки; эластичные оболочки.

In recent decades, when developing new constructions of pipeline armature special attention is paid to the use of flexible materials and shells instead of traditionally rigid-body elements of armature. These devices allow using energy and pressure of the transported product to switch the valve, excluding the use of any mechanical systems and, consequently, the need to produce complex, expensive parts. This increases reliability, reduces steel intensity and dimensions, and makes it possible to use the device in large-diameter pipelines, facilitates and simplifies its maintenance and operation.

Keywords: pipe fitting; armature engineering; pipeline valve; elastic casings.

Размещено на Allbest.ru