Инжиниринг – сфера деятельности, которая включает весь комплекс услуг по разработке и внедрению инновационных объектов. При этом решается основная задача – максимально удовлетворить потребности клиентов и перейти от поставок продуктов к оказанию услуг по оптимизации продуктов или процессов.
Очевидно, что цель инжиниринга в арматуростроении – на основе знаний о функционировании объектов предложить улучшенный продукт (процесс) и снизить себестоимость с тем, чтобы заказчик получил новое качество своей продукции. Значение инжиниринга при нынешней цифровой трансформации значительно возрастает, так как позволяет до минимума сократить время освоения новых продуктов и трудоемкость, а значит и затраты.
Уплотнительные узлы трубопроводной арматуры, при относительно низкой стоимости имеют решающее значение для параметров и работоспособности конечного продукта. При этом многофакторность задач уплотнительной техники, взаимное влияние многочисленных конструктивных и технологических факторов, факторов внешней среды сильно усложняют нахождение удовлетворяющих всем условиям вариантов. Реализуемый в процессе инжиниринга комплексный подход позволяет находить оптимальные или близкие к оптимальным решения. Задачи инжиниринга здесь состоят в разработке уплотнительного узла оптимальной конструкции, то есть имеющего минимальные массогабаритные и экономические характеристики при заданных параметрах эксплуатации и долговечности.
Поскольку в ООО «Константа-2» изготавливаются практически все разновидности «мягких» уплотнений из всего доступного на сегодняшний день спектра материалов: полимеров, композитов, эластомеров, для нас инжиниринговая трансформация видится в переходе от устойчивого снабжения наших заказчиков всем спектром уплотнений к улучшению на основе инноваций показателей качества продуктов и процессов клиента. Только на основе знаний о материалах – материаловедении и знаний в области конструкций уплотнений и их применений можно предлагать решения, удовлетворяющие современным требованиям по безопасности, технологичности и экономичности.
Блок-схема, показанная на рис. 1, раскрывает основные зависимости и взаимосвязи между свойствами материалов и эксплуатационными характеристиками уплотнений и позволяет сосредоточиться на основных закономерностях поведения уплотнений в узлах. Исходя из этого, стоит задача на основе имеющихся компетенций трансформировать компанию в инжиниринговый центр по уплотнительным технологиям.
Одним из непременных условий для перехода к инжинирингу является наличие современной экспериментальной, исследовательской базы, позволяющей не только определять физико-механические и тепло-физические свойства материалов, но и исследовать физико-химические процессы, происходящие в материалах в процессе нагружения и эксплуатации. Очень важным является наличие возможностей имитировать, воспроизводить условия эксплуатации.
Вторым непременным условием является наличие компетенций в области моделирования и симуляции условий прочности и герметичности с помощью современных программных продуктов САЕ.
Третьим вызовом при переходе к инжинирингу является обладание знаниями в области герметичности уплотнительных узлов.
Заключительным условием является наличие современного перерабатывающего и обрабатывающего оборудования, позволяющего реализовывать разрабатываемые проекты.
Основываясь на многолетнем опыте разработки уплотнительной техники, а также исследованиях в области герметичности уплотнений ООО «Константа-2» предлагает своим клиентам комплекс услуг по проектированию, изготовлению уплотнений, уплотнительных узлов трубопроводной арматуры, насосов, гидравлических и пневматических устройств с использованием последних разработок и достижений герметологии. Он включает оценку условий эксплуатации и рисков, которым подвержен объект проектирования со стороны внешних и внутренних факторов. К ним относятся условия эксплуатации, главными из которых являются температура, давление, физико-химические характеристики внешней и рабочих сред, возможные антропогенные воздействия на объект герметизации. Следующим этапом является выбор на основе экспертного анализа типа уплотнения или уплотнительного узла.
Многофакторность задач уплотнительной техники, взаимное влияние многочисленных конструктивных и технологических факторов, факторов внешней среды сильно усложняет алгоритм проектирования. Поэтому моделирование и симуляция процессов являются наиболее адекватными методами решения этих задач. На основе исходных данных с помощью САЕ строится ЗD-модель, методом конечных элементов проводятся прочностные расчеты, расчеты деформаций, расчеты герметичности уплотнений. При этом из базы данных ООО «Константа-2» осуществляется выбор наиболее подходящего для этих целей материала.
Для принятия оптимальных решений имеется широкая база композиционных материалов и эластомеров (таблицы 1, 2). Здесь приведены лишь наиболее типичные представители применяемых материалов. Вся база содержит более ста наименований полимеров, эластомеров и композитов, которые перекрывают весь диапазон условий эксплуатации для мягких уплотнений: это температуры от -270 до +300 °С, давления от вакуума до 150 МПа и все известные на сегодня жидкие и газообразные среды. На основе расчетов производится корректировка марки материала, ЗD-модели уплотнения и уплотнительного узла.
При необходимости с помощью аддитивных технологий изготавливается прототип, на котором могут экспериментально отрабатываться нюансы взаимодействия контактирующих тел. Затем модель переводится в САD-систему. Таким образом осуществляется непрерывность процесса от заказа до производства готового продукта, от проектирования до изготовления. Заключительным этапом является проверка работоспособности узла на стендах для гидравлических или пневмо испытаний и проверки функциональности.
Экономическое моделирование дополняет и интегрирует конструкторское, технологическое и производственное моделирование. Оно производится на основе приведенного на рис. 2 алгоритма. Завершает экономический анализ узла или конструкции расчет стоимости жизненного цикла.
В качестве примера приведем разработку инновационного многофункционального уплотнения седла ШК с тарельчатой пружиной (рис. 3). В процессе реинжиниринга уплотнительного узла шарового крана проведена замена материала на более прочный, дешевый и технологичный за счет замены прессования на литье под давлением. На основании расчетов, проведенных методом конечных элементов, оптимизирована конструкция узла и подобран материал для основного уплотнителя – седла.
Инжиниринг включает:
а) замену материала на более прочный, технологичный за счет перехода от прессования к литью под давлением, более дешевый;
б) замещение нескольких деталей в конструкции уплотнительного узла на одно многофункциональное уплотнение оптимизированной конструкции;
в) снижение логистических затрат для клиента за счет реализации принципа «все в одном».
В результате, на 20-30 % будет снижена стоимость уплотнительного узла и существенно сокращены логистические затраты. Безусловно, заключительным и решающим этапом, определяющим применимость тех или иных решений, являются испытания.
Из-за многофакторности и взаимозависимости подчас сложно подобрать мономатериал, поэтому создаются комбинированные уплотнения для получения синергетического эффекта. Результатом инжиниринга узлов с комбинированными уплотнениями являются манжеты с подпружинивающими элементами, резинофторопластовые уплотнения, металлополимерные подшипники, уплотнения шаровых кранов на основе материалов «Констафтор». В таблице 3 представлены примеры применения комбинированных уплотнений в различных отраслях промышленности.
Происходящая цифровая трансформация, переход к низкоуглеродной экономике и водородной энергетике, растущая конкурентная среда являются побудительными мотивами для перехода от расчета работоспособности уплотнительных узлов к ее прогнозированию на длительный период времени. Попытки рассчитать ресурс машин и механизмов предпринимались и ранее в силу актуальности задачи, но сейчас, с появлением мощных расчетных алгоритмов, решение этой задачи представляется возможным. Чтобы результаты прогнозирования были достоверными, требуется серьезная база знаний для обоснования этих решений. Постоянно проводимые НИР расширяют нашу базу знаний, и это позволит сделать прогнозы максимально объективными.
С одной стороны, на основе имеющейся экспериментальной базы, позволяющей проводить всеобъемлющие исследования свойств материалов, имеется возможность с максимальной достоверностью оценивать даже минимальные изменения структуры и свойств после внешних воздействий. Имеющаяся нормативная база позволяет делать объективные научно обоснованные заключения о долговечности на основе ускоренных испытаний после термостарения. С другой стороны, расчеты уплотнительных узлов методом конечных элементов позволяют проводить симуляцию поведения в широкой области рабочих параметров. Поэтому следующим целевым показателем будет поставка уплотнительных узлов с гарантированным сроком службы.
Сформулированные здесь необходимые и достаточные условия перехода к инжинирингу, а через него к прогнозу работоспособности уплотнительных узлов являются перспективным направлением развития, а реализация этих подходов будет на наш взгляд серьезным шагом в развитии отечественного арматуростроения.
Размещено в номере: Вестник арматуростроителя, №2 (71)
