ВВЕДЕНИЕ
Среди множества деталей, входящих в арматуру, узел штока, по всей видимости, является наиболее консервативным. За последнее время значительное развитие получили такие детали арматуры, как затворы, сальники, седла и уплотнения, о чем свидетельствует множество публикаций в профессиональных журналах, тогда как публикации касательно повышения эффективности и работоспособности штоков практически отсутствуют, не считая некоторого внимания к наружным покрытиям. Во многом это связано с тем, что развитие штоков в арматуре не совсем очевидно.
В то же время валы, оси и пальцы, к которым по своим характеристикам относятся и штоки арматуры, показывают заметное продвижение вперед. Использование полых осей во многих поворотных устройствах и толкающих элементах уже известно. Так, проведя небольшой обзор литературы и патентов, вы обнаружите, что полые оси и штоки широко применяются в гидроцилиндрах и пневмоцилиндрах, а также в домкратах. Близкие родственники штоков – тела вращения, такие как пальцы, ролики и шпиндели станков – по своим характеристикам также приближаются к штокам арматуры, как и штоки шаботов, молотов и прессов.
ПОИСК ПОДХОДОВ
Для нас как для маркетологов важно найти тенденции развития штоков, основываясь на возможности созревания тех или иных решений для внедрения их в видимой перспективе. Проблема понятна, если учесть, что патентов, заявок и даже готовых к внедрению видов арматурной продукции существует значительное количество. Практически каждый год рождается и умирает множество новых вводимых на рынок продуктов.
Большую помощь в отборе лучших решений оказывает применение системного оператора по методике ТРИЗ. В качестве надсистемной части над штоками, определяющими их развитие, в соответствии с законом подавляющего действия надсистемы, мы можем принять систему развития валов и осей, обеспечивающих работу машинных узлов в наиболее близком к штокам арматуры режиме, а также пальцев и роликов, в зависимости от близости к характеристикам работы штока арматуры и уровня решения задач, в т. ч. и перспективных, которые еще не возникли в ходе развития узла штока арматуры.
Кстати, такой подход избавляет нас от необходимости самостоятельно искать проблемы, требующие решения при прогнозировании, поскольку, вследствие неотвратимости поступи надсистемы, они уже должны будут получить решение в других областях своего класса. Большинство неясностей, проблем, задач и неразвитых еще противоречий, от которых необходимо отталкиваться при прогнозировании, должны уже существовать и быть решены в рамках общей надсистемы. Она же показывает и основной путь развития всего класса деталей.
Наша цель будет состоять в оценке и применимости найденных решений, уже существующих в надсистеме, или выявленных противоречий в рамках задач, которые еще не были решены в подклассе «штоки для арматуры».
Влияние различных решений, связанных с развитием валов, осей, пальцев и роликов на развитие штоков, демонстрирует рис. 1.
«ШТОКОВЕДЕНИЕ»
Основная функция штоков
Штоки и шпиндели являются одним из основных элементов арматуры. Их важность определяется выполнением функции трансмиссии и движителя – передачи силового и управляющего воздействия на запирающий элемент. В этом плане основное внимание следует уделять качеству передачи усилия от источника энергии и движителя (привода) на запирающий элемент.
Основные проблемы штоков и шпинделей арматуры
Чтобы рассмотреть основные проблемы штоков, характерных для большинства видов арматуры, заглянем в стандарты, например, стандарт СТ ЦКБА 099 (1 ред. – 2011) Арматура трубопроводная. Ремонт трубопроводной арматуры. Общее руководство по ремонту. В соответствии с таблицей 1 («Перечень возможных отказов, признаков дефектов, а также параметров, по которым оценивается техническое состояние арматуры») к дефектам, которые возникают в связи с несовершенством шпинделя или штока, относятся следующие (см. выдержку):
Сальниковый узел
Из таблицы 1 следует, что основную озабоченность при развитии узла штока будет вызывать узел сальникового уплотнения, а проблемы в основном связаны с потерей внешней герметичности. На долю этого узла приходится до 70% всех случаев парения задвижек в обычных условиях работы. Это также означает, что в настоящее время сам шток – более надежный элемент, чем сопряженные с ним подсистемы арматуры.
Новые решения в области сальниковых узлов подразумевают также и повышенные требования к уровню изготовления штока. В частности, при изготовлении новых типов сальников с большей жесткостью или сальников с запорными конусами требуется более высокая точность изготовления штока и уплотняющего его элемента.
Однако обеспечение герметичности – это не основная функция штока, а вспомогательная, поскольку его главная задача – передавать силовое воздействие на затвор. В этом плане требуется провести анализ других характерных причин поломок, которые выведут нас на более значимые пути развития штоков. Так, по многим данным, заклинивание самого затвора может чаще определять проблемы со штоком. В частности, заклинивание часто приводит к обрыву штока.
Материал штока
Материалы тесно связаны с работой штока. Правильный выбор материалов для изготовления штока часто является наиболее эффективным средством для повышения ресурса его работы. Особенно это касается арматуры высокого давления и арматуры, работающей в условиях тепломеханических циклов и высокотемпературного нагружения. Для обеспечения эффективной работы штоков используют цементацию, азотирование и их разновидности, включая нитроцементацию, борирование и пр.
Значительное влияние на работу штока оказывает качество металла. При расследовании аварий часто выясняется, что структура металла в поперечном сечении штока может быть неоднородна. В то же время по существующей технологии упрочнение при закалке ТВЧ и создание неоднородной структуры является обычным способом повышения общей прочности и пластичности (внутри перлитная структура, снаружи – бейнитная или сорбитная мелкозернистая).
Однако ударный подрыв задвижки в таких случаях приводит к превышению предела текучести из-за особенностей ударно-вырывного нагружения даже при значительном запасе прочности металла штока. Сжатое напряженное состояние внутри стержня без возможности реализации пластического течения создает условия для внутренней потери пластичности в условиях всестороннего сжатия и приводит к быстрому зарождению трещины. В результате обрыв происходит, казалось бы, при обычных условиях...
Конструкторы постоянно борются с концентраторами напряжений, поскольку шток испытывает в основном нагрузку, близкую к симметричной, а повышение прочности материала, являющееся одним из основных способов увеличения стойкости штоков, вызывает также и повышенную чувствительность к концентраторам напряжений и образование трещин на них.
Борьбе с зарождением трещин в штоках, как механических, так и коррозионных, уделяют большое внимание. В частности, проблему пытаются решать при помощи гальванических покрытий, хромирования, создания все новых и новых типов покрытий, включая многослойные. В настоящее время покрытия считаются одним из самых эффективных способов борьбы с образованием трещин, задиров и пр.
Коррозия считается одной из важнейших проблем штоков, не только в связи с требованием отсутствия задиров, но и в связи с требованиями уменьшения вероятности зарождения коррозионных трещин. С требованием сопротивления образованию трещин связаны требования к полированию, выглаживанию и твердому коррозионностойкому покрытию поверхности штоков. В настоящее время основными способами борьбы с коррозионно-механическим разрушением считаются следующие методы:
- защитные покрытия штоков;
- нейтрализация сальниковой набивки и электролита (воды, пропитывающей набивку при гидроиспытании или во время эксплуатации и находящейся на границе набивки со штоком);
- применение сальниковых набивок, не вызывающих коррозионной активности контактирующих с ними штоков;
- применение коррозионностойких материалов.
Можно обозначить и другие проблемы штоков. Однако они будут либо слишком специализированными для конкретных условий применения, либо встречающимися достаточно редко. И в том, и в другом случае их анализ с целью прогнозирования развития штока может не дать существенного результата.
НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ШТОКОВ
Чтобы обеспечить основную функцию, компании развивают различные направления в решении задачи более идеального выполнения функции качественной передачи силового воздействия. Некоторые из них, которые удалось выявить, мы обсудим ниже.
Больше внимания к ближайшим подсистемам
Развитие штоков и шпинделей арматуры зависит от эффективности работы ближайших к ним подсистем и связанных с ними деталей.
Давайте разберем основные элементы шпинделя и определим их роль в потенциальном развитии шпинделя (рис.2).
Роль сальникового узла, функция которого оказалась за пределами основной задачи – передачи усилия, в целом не должна привлекать большого внимания. Но этот узел занимает наибольшее по длине и весу значение, составляющее до 50% от всей материалоемкости и конструктивной длины штока. При этом его роль остается чисто передаточной по отношению к основной функции – силовой передаче.
Тем не менее этот узел (шток + сальниковый узел) наиболее сильно развивается в настоящее время, поскольку получает импульс от одной из важных функций работы арматуры – обеспечения внешней герметичности. В свою очередь уже она влияет на потери продукции (основная функция), загрязнение внешней среды (дальняя надсистема, до некоторого времени не играющая важной роли).
Главная проблема в штоках в рамках подсистемы арматуры «шток – сальниковый узел» – это обеспечение герметичности. Именно для решения этой ключевой задачи существуют такие операции по изготовлению штоков, как алмазное выглаживание, полирование и даже хонингование. Защититься одновременно от коррозии и износа стремятся использованием хромированных штоков, а иногда и применением керамического напыления, выглаживанием штоков при помощи ультразвуковой обработки и нанесением гладких минеральных покрытий. В связи с невозможностью добиться герметичности даже при такой дорогой обработке, одно из сильных решений – просто избавиться от сальника, заменив его на сильфон.
Одновременно идет постоянная борьба с коррозией, которая сильно мешает и основному назначению штока – быть силовым элементом передачи управляющего воздействия на запирающий элемент. В этом случае уже давно стало естественным применять нержавеющие стали и стали более высокого прочностного класса. Во многих случаях заметен переход от сталей к прочным титановым сплавам с нитридным напылением. К тому же разделение на классы задвижек с выдвижным и невыдвижным шпинделем во многом имеет в своей основе именно коррозионное поведение среды.
Ближайшей подсистемой штоков является их материал. До сих пор он был во многом инертен по отношению к требованиям, предъявляемым к штоку. Используются в основном стандартные материалы, отвечающие основному требованию по прочностным свойствам.
Однако материалы способны поглотить множество элементов, которые ранее приходилось вводить для обеспечения работоспособности штоков. В частности, вопросы задиров, смятий, усталостных поломок штоков и коррозионных разрушений, которые сегодня решаются введением ингибиторов (устранение возможности коррозии), хромированием (устранение задиров и коррозии), шабрированием и полировкой (предотвращение смятия) могут быть устранены при большем внимании к типу используемого материала и, например, применении биметаллических композиций.
Кроме собственно материала особенное развитие получает поверхность штоков и шпинделей. Выделяются зоны, требующие особенного внимания. Ими, в частности, является рабочая зона с сальниковым узлом, где требования к полировке и отсутствию различного рода захвата включений, которые могут привести к «разлохмачиванию» сальника, чрезвычайно высоки.
Нижняя часть штока, непосредственно взаимодействующая с рабочим органом – запирающим элементом,– должна эффективно передавать силовое воздействие, преодолевая через затворный орган сопротивление среды. Поэтому чаще всего здесь и возникают новые решения по повышению качества «захвата» рабочего органа, устранению проблем со смятиями и пр. То же самое отмечается и в верхней части штока, обеспечивающего связь с приводом.
Верхняя часть штока с ходовой резьбой имеет важное значение, поскольку обеспечивает основную функцию – передачу усилия. При больших давлениях становится важным и обеспечение функции антивыдавливания штока даже при смятии и вырыве штока из резьбы (рис. 3а). Но иногда функцию антивыдавливания выполняют конструктивные элементы и в нижней части штока, как показано на рис. 3 б. Однако эта функция является вспомогательной по отношению к основной функции системы, но важной по отношению к надсистеме – функции обеспечения внешней безопасности арматуры в целом.
Незаметной, но серьезной проблемой оказались поломки штоков. Наиболее часто этот вопрос возникал в работе штоков шаботов молотов, приводя к неисправимым разрушениям штоков. В штоках арматуры, пневмоприводов и гидроприводов подобные поломки практически не упоминаются, очевидно, в связи с многократным запасом прочности, задаваемым конструкторами. Однако известно, что при резком подрыве затвора, например, в клиновых задвижках при их прикипании или заклинивании уровень нагрузки многократно (до 10 раз) превышает допустимый рабочий диапазон нагрузок. Проблемой являются и ошибки персонала, который часто использует недопустимые способы проворота затвора «крючком», что приводит к поломкам штоков.
Как видите, противоречие налицо: чтобы повысить надежность, нужно многократно увеличить прочность, что приводит к удорожанию материала или к росту диаметра штока. При этом увеличение диаметра штока не приводит к росту прочности по отношению к вырывным усилиям, характерным для подрыва затвора арматуры при заклинивании или прикипании затвора к уплотнительным поверхностям.
Меньше длины
Эта закономерность проявляется в том, что противоречие между своей оперативной длиной для открытия и закрытия затвора и собственно требованием длины для внешнего привода решается при помощи перехода к телескопическим штокам (рис. 4).
Дальнейшим развитием этого решения стало отделение штока, непосредственно связанного с запирающим элементом от трансмиссионной части штока. Система штока начала претерпевать значительные изменения, и для этого потребовался переход по схеме, представленной на рис. 5.
Развитие происходит от цельного жесткого невыдвижного штока к выдвижному штоку и далее, с ростом требуемой длины штока, к телескопическому штоку. Здесь шток практически разделяется на собственно шток арматуры и внешнюю часть штока, обеспечивающего его связь с приводом. С развитием этого решения осуществился переход к криволинейной передаче за счет использования шарниров (рис. 6) и, наконец, к полностью гибкой связи при помощи гибкого вала, длина которого может быть довольно велика (рис. 7).
Меньше веса
Шпиндели и штоки арматуры должны иметь малую массу. Это связано с тем, что вибрация, идущая от рабочего органа, напрямую передается на шток, который из-за этого испытывает значительные знако-переменные и циклические нагрузки. Чем более «увесист» шток, тем сильнее будет вибрация, близость к разрушению штока и к выходу из строя арматуры в целом. Очевидно, что этой тенденции отвечает одно из главных направлений в развитии штоков – повышение мощности передаваемого усилия при снижении веса штока, например, за счет использования более прочных металлов или трубчатых конструкций.
Больше силы
Эту тенденцию легко заметить, если увидеть, что штоки и шпиндели всегда выполняются из более «сильных» материалов, способных выдерживать разнообразные виды нагрузок. Это и резкие растягивающие нагрузки, близкие к ударным, и характерные, например, для подрыва клина в клиновой задвижке; частые скручивающие нагрузки, характерные для поворотной арматуры, термонапряжения, характерные для условий неравномерного нагрева шпинделя при пуске трубопровода и пр. И все это, как правило, происходит под коррозионным действием среды. В этом случае выдерживать их «поручается» только наиболее сильным материалам. Для этого большое внимание уделяется резервам материала, к которым можно отнести собственно химический состав применяемых сталей, а также их структуру.
Стандартные достижения в применении материалов зафиксированы в таблицах, приводимых в ГОСТах, например, в таблице 3.
Выход за пределы стандартных материалов наметился тогда, когда стало ясно, что ни один из них (кроме коррозионностойких и жаропрочных сталей) не способен противостоять коррозии. Тогда на сцену вышли штоки из титановых сплавов, скорость коррозии которых составляет не более 0,01мм\год (1 балл) по сравнению с традиционными сталями типа 25Х2М1Ф, имеющими скорость коррозии в несколько раз выше (6-7 баллов). Правда, и стоимость таких штоков достигает 30 000 руб. за ед., что во много раз превосходит стоимость штоков из стали. Таким образом, противоречие «цена – длительность использования» преодолеть в полном объеме не удалось.
Одной из серьезных проблем, которую удалось выявить при экспресс-анализе штоков, оказалась недостаточная связь прочностных свойств материалов с характеристиками штоков. Так, стремление повысить прочность наталкивается на известную проблему снижения пластичности и ударной вязкости материала и выход на катастрофическое разрушение при обрыве штока. К тому же сплошной материал из-за особенностей напряженного состояния при ударно-вырывном нагружении, характерном при эксплуатации штоков арматуры, ведет себя как материал с повышенной хрупкостью, реагирующий даже на малые трещины. Поэтому попытки увеличить диаметр штока обычно не дают результата, но приходится уделять серьезное внимание отсутствию коррозии и особенно трещин на поверхности штока.
В свою очередь это означает, что коррозия штока или требование отсутствия трещин являются подчиненными прочностным требованиям и требованиям повышения пластичности материала. Поэтому изыскиваются способы одновременного повышения прочностных свойств, твердости и сопротивления коррозии, особенно питтинговой, как наиболее влияющей на образование и развитие хрупких трещин. Наиболее часто при этом используют азотирование.
Однако требования повышения прочностных и пластических свойств при исчерпании резервов материала могут решаться и другими путями. Так, эти свойства во многом зависят от конструкции.
Мы также можем отметить, что в связи с различием требований к каждому элементу штока по табл. 2 найти один материал, который бы отвечал всем требованиям, становится невозможно. Так, требование передачи крутящего момента требует оптимального сочетания прочности, пластичности и противостояния смятию, требование отсутствия задиров – повышению твердости, а способность противостоять вырывным усилиям – требованию пологости роста предела текучести или при сопротивлении катастрофическим разрушениям – требованиям высокой ударной вязкости.
Такова основная направленность развития штоков арматуры, которую можно выявить при экспресс-анализе. Однако многие пути, которые еще не исследованы и которые штокам и шпинделям арматуры только еще предстоит пройти, мы можем обнаружить в развитии их надсистемных «собратьев» – деталей класса «валы и оси». Рассматривать их развитие мы, конечно же, будем с точки зрения основных противоречий, которые могут еще только проявиться в развитии штоков, исходя из сделанного нами анализа основных направлений.
Опубликовано в "Вестнике арматурщика" № 6 (26) 2015
Продолжение - в "Вестнике арматурщика" № 7 (27) 2015
