Сегодня запорно-предохранительной арматурой, которую производит Машиностроительная Корпорация «Сплав», оборудована каждая российская атомная станция, а также все зарубежные АЭС, построенные по российским проектам. Стоит отметить один немаловажный факт: за весь период работы с предприятиями атомной отрасли — а это более 35 лет — «Сплав» не получил ни одной рекламации или замечания к качеству продукции. Столь долгое и успешное сотрудничество Корпорации с одной из важнейших и наиболее строгих в своих оценках сфер деятельности является надежным доказательством высокой ответственности, с которой «Сплав» подходит не только к производству, но и разработке новых видов продукции.
В линейке запорно-предохранительной арматуры, выпускаемой Корпорацией «Сплав», в том числе представлены и задвижки разного типа. Сегодня особое внимание мы посвятим относительно новому для завода серийному продукту — задвижкам стальным клиновым запорным с ручным управлением номинальным диаметром DN 15, 20, 25, 32, 40 и 50 на номинальное давление PN 6,3 МПа (63 кгс/см2) и 16 МПа (160 кгс/см2), предназначенным для использования в качестве устройств перекрытия потока жидкой рабочей среды на технологических линиях нефтяных, нефтехимических, химических, нефтеперерабатывающих предприятий, на трубопроводах горячей воды, в системах пожаротушения и других отраслях промышленности.
Свое название один из самых популярных видов задвижек получил благодаря конструкции запорного элемента — уплотнительным кольцам (седлам) в корпусе, расположенным под углом друг к другу. Сам затвор при этом также очертаниями напоминает клин. Разработка опытных образцов задвижек клиновых стальных (ЗКС) велась высокопрофессиональной командой конструкторско-проектного бюро, входящего в состав Корпорации. Изначально перед конструкторами была поставлена задача разработать линейку задвижек стальных клиновых с ручным управлением DN от 15 до 50 на номинальное давление PN 6,3 МПа (63 кгс/см2) и 16 МПа (160 кгс/см2), максимальной температурой рабочей среды до +565°С и герметичностью затвора по классу А. Безусловно, новый продукт должен стать конкурентоспособным на рынке не только по своим характеристикам и надежности, но и по стоимости.
Процесс разработки ЗКС сопровождался масштабной работой по анализу материалов и конструкций, а также испытаниями нескольких образцов задвижек, представленных на рынке ТПА различными производителями.
В ходе анализа были выявлены две проблемы, которые связаны между собой:
1. Проблема герметичности затвора при расчётных параметрах: расчётном давлении и расчётном моменте на маховике;
2. Проблема сохранения герметичности затвора при наработке циклов.
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ № 1
Герметичность затвора непосредственно после сборки изделия зависит от степени совпадения плоскостей клина и плоскостей сёдел. Расчётные удельные давления затворов,
приведенные в методиках расчёта, предполагают полное совпадение поверхностей контакта на обоих сёдлах. Следовательно, расчётные моменты запирания затвора относятся к этому идеальному случаю. Конструкция ЗКС с жестким клином не позволяет исправить неточности геометрии притиркой или самоустановкой тарелок затвора, как в задвижках с упругим клином.
Совпадения плоскостей сёдел и плоскостей клина мы добиваемся следующими способами:
- совместной чистовой шлифовкой клина и сёдел в общем приспособлении;
- установкой и развальцовкой сёдел с применением оснастки;
- обжатием рабочих поверхностей сёдел в процессе развальцовки до их пластической деформации с помощью «родного» клина (здесь требуется клин более твёрдый, чем сёдла).
Однако после развальцовки сёдел в корпусе всё равно обнаруживается неудовлетворительный контакт: неравномерность, отпечатка сёдел на клине и протечки при расчётных усилиях на клин.
Чтобы избежать этого, нужно контролировать прямо при сборке герметичность затвора до развальцовки сёдел, подбирая при этом подходящие друг к другу пары. По крайней мере, это следует делать на первом этапе освоения.
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ № 2
Нарушение герметичности затвора при наработке циклов при испытаниях воздухом при нормальной температуре всегда вызывалось задирами на клине и сёдлах. Задиры на металле — это всегда следствие сухого скольжения при больших контактных нагрузках деталей, изготовленных из материалов, склонных к такому схватыванию.
Следовательно, нужно стремиться к уменьшению интервала скольжения под нагрузкой и уменьшению самой контактной нагрузки. Интервал скольжения под нагрузкой должен быть минимальным, обеспечивающим перекрытие потока, т.е. нижняя кромка клина должна опускаться ниже рабочей кромки седла не более чем на 1-2 мм. Это значит, что детали задвижки должны изготавливаться очень точно. Таким образом, перед запрессовкой сёдел необходимо контролировать глубину посадки клина. Контактные нагрузки между клином и седлом определяются, во-первых, рабочим давлением, а во-вторых — усилием на клин со стороны штока от момента на закрытие. Как правило, имеет место «неидеальность» прилегания поверхностей друг к другу. Эту «неидеальность» пытаются компенсировать увеличением момента на закрытие. Превышение этого момента при испытаниях также увеличивает вероятность задиров. Следовательно, наработку циклов следует вести только расчётным крутящим моментом, а вывод о степени герметичности затвора делать по окончании испытаний.
Есть ещё одна причина задиров. В существующей конструкции ЗКС имеет место разворота клина в пределах имеющихся зазоров. Этот разворот при опускании-подъёме составляет 2-3°, но при скольжении вдоль сёдел клин разворачивается обратно, оказывая при этом значительное сопротивление в виде дополнительных контактных нагрузок (см. рис. 1).
Воздействие усилий F1 проявляется в дополнительных боковых дорожках задиров на клине и на сёдлах. Момент пары сил F1 передаётся от штока и зависит от трения в сальнике. Если сальник ослабить до начала протечек, то момент сил F1 значительно снижается.
Решение данной проблемы возможно за счет изготовления деталей, влияющих на герметичность затвора, строго по чертежу. Все отклонения формы и расположения должны быть проверены. Так, необходимо проверять симметричность базовых поверхностей под установку сёдел в корпусе. Установка сёдел в гнёзда корпуса, их последующая развальцовка и получение при этом полностью симметричных рабочих поверхностей, у которых угол
совпадает с углом клина (несовпадение не более в 2-3 угловые минуты) — это наиболее проблемная операция.
В любом случае, после установки сёдел в гнёзда перед развальцовкой необходимо убедиться, что сёдла установились так, что их рабочие плоскости пересекаются в пространстве по прямой перпендикулярной плоскости. Именно для устранения этого искажения предназначены метки (пазы) на сёдлах и комплект имеющихся приспособлений для установки сёдел.
После решения указанных проблем были изготовлены две задвижки DN 20 с фиксацией шпинделя от проворота PN 16 МПа, в которых сёдла устанавливались по принципу, как показано на рис.2.
Клин был изготовлен из стали 95Х18 и закален до твёрдости не менее 56,5 HRC. Сёдла имели наплавку ЦН-12М, а основа была 12Х18Н10Т. Особое внимание разработчики
уделили изменению места установки седла и совершенствованию формы завальцовки седла в корпусе изделия. При установке сёдел было применено приспособление как на рис.3.
После того, как был достигнут хороший результат, не снимая с приспособления, сёдла были развальцованы. Испытанные клиновые задвижки показали удовлетворительные результаты при наработке циклов холодной водой. Контактные давления в затворе при этом вдвое больше (Рр=16 МПа), но вода и низкая температура препятствуют задирам на деталях затвора.
Конструктивные изменения, которые были внесены в образцы в ходе разработки, позволили на выходе получить серийную модель стальной клиновой задвижки, конструкция которой соответствует классу герметичности А и сохраняет его на протяжении запланированных 2000 циклов.
Опубликовано в журнале "Вестник арматуростроителя" № 3 (38)
Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», №3 (38) 2017
