В данной статье рассматриваются основные преимущества применения трубопроводной арматуры из полимерных композиционных материалов для транспортировки химически агрессивных сред. Описаны новые конструкторские решения и эффективность их применения при проектировании шаровых кранов из полимерных композиционных материалов.
Ключевые слова: арматуростроение, агрессивные среды, инновации, шаровой кран, полимерные композиционные материалы.
Сегодня химический комплекс России объединяет 17 отраслей промышленности, более 600 крупных и средних промышленных предприятий, на производственном оборудовании которых в условиях одновременного воздействия агрессивной среды, высокой температуры, давления и механических примесей проходят различные технологические процессы. В случае возникновения нештатных ситуаций на химически опасных объектах производственный персонал и гражданское население, проживающее поблизости, может столкнуться с серьезной опасностью, связанной с поражением агрессивными и токсичными веществами. Из мировой истории известно много аварий и техногенных катастроф, повлекших за собой серьезные последствия как для людей так и для окружающей среды. Высокий уровень требований к безопасности заставляет разработчиков искать все более надежные решения при проектировании и изготовлении оборудования для химически активных сред. В первую очередь для надежного функционирования опасных производств требуется современная, высоконадежная коррозионностойкая трубопроводная арматура. Последние достижения в технологии производства полимеров позволили получить ряд термореактивных и термопластичных композиционных материалов (далее по тексту — ПКМ) с превосходными механическими свойствами, что позволило применять их в качестве альтернативы коррозионностойкой стали. В России, тем не менее, в этой области наблюдается явное отставание от мировых тенденций, в частности, более широкое промышленное применение полимерных трубопроводных систем осложняется отсутствием полноценной нормативной базы. Для решения назревших вопросов Министерство регионального развития РФ 24 июля 2013 г. издало приказ № 306 «Об утверждении отраслевой программы внедрения композиционных материалов, конструкций и изделий из них в строительном комплексе Российской Федерации». Целью данной программы является создание условий наибольшего благоприятствования для широкого применения современных композитов, конструкций и изделий из них. В рамках поставленных правительством задач в ОАО «МосЦКБА» была проведена большая работа по исследованию мировых тенденций и достижений в области производства и эксплуатации трубопроводной арматуры из ПКМ. По итогам исследования была отмечена перспективность развития трубопроводной арматуры из ПКМ, особенно при освоении ее серийного и крупносерийного производства. Наряду с обеспечением высокой коррозионной стойкости новых материалов, их применение позволяет существенно снизить стоимость трубопроводной арматуры, оперативно реагировать на запросы рынка и отказаться от трудоемкой механической обработки дорогостоящих высоколегированных сталей.
Зарубежные арматуростроители в настоящее время выпускают широкую номенклатуру трубопроводной арматуры из ПКМ, подтверждая тем самым, что это вполне решаемая задача, приносящая прибыль как производителю так и заказчику. Сегодня в этом сегменте рынка успешно работают американские, китайские и европейские компании. Среди них наиболее известной является фирма ASV Stübbe (Германия) в номенклатуре которой представлены различные шаровые краны и затворы, среди них краны серии С110 с номинальными диаметрами DN65 — 150 на давление PN6 — 10 [1]. Другой известной компанией, изготавливающей шаровые краны диаметром от DN15 до DN250, на давление от PN10 до PN16 является компания Nil-Cor (США) [2]. Масса шаровых кранов указанных производителей в три раза, а стоимость — в два раза ниже, чем у аналогичных кранов из традиционных сталей и сплавов. Существенным преимуществом современных ПКМ является и то, что сегодня имеется возможность подбирать под разные условия работы материалы с наиболее подходящими свойствами, при этом пресс-формы для изготовления деталей такой арматуры могут использоваться одни и те же. То есть, раз вложив средства в оснастку, производитель может изготавливать шаровые краны из различных ПКМ для применения в разнообразных агрессивных средах.
Учитывая опыт зарубежных производителей и имеющиеся перспективы на российском рынке коллектив ОАО «МосЦКБА» поставил перед собой задачу создать отечественный шаровой кран из ПКМ, соответствующий уровню мировых образцов. Для разработки конструкторской документации в качестве опытного образца был выбран кран DN50 PN25, предназначенный для эксплуатации в агрессивных рабочих средах с температурой до + 120° C при температуре окружающей среды от минус 60 до +45° C и обеспечивающий герметичность затвора по классу А. На опытном образце планируется отработать все новые конструктивные решения и затем распространить их на весь типоразмерный ряда шаровых кранов DN50 – 500. В ходе разработки нового шарового крана из ПКМ специалисты ОАО «МосЦКБА» совместно с коллегами из компаний «РУСПЛАСТ» и ЗАО «БИ Питрон» проанализировали множество имеющихся на рынке полимерных материалов, оценивая набор их свойств и спектр химических соединений, по отношению к которым они стойкие. При выборе оптимальных материалов для арматуры учитывались их доступность в России и стоимость. Первоначально по техническому заданию планировалось обеспечить работоспособность шарового крана при давлении 2,5 МПа и температуре +150°С. Этим условиям соответствует материал полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) Victrex. Однако, учитывая высокую себестоимость полиэфирэфиркетона, на первом этапе в качестве наиболее оптимального материала по признаку «цена-качество» для изготовления основных деталей крана был выбран полифениленсульфид с 40% массовым содержанием стекловолокна (PPS) Ryton R-4-200NA. Этот материал обладает хорошими механическими свойствами и стойкостью к агрессивным средам (растворы кислот, щелочи, спирты, хлор и азотсодержащие соединения, растворители) в широком диапазоне температур от -60 до +120˚С.
В настоящее время основные зарубежные производители серийно изготавливают шаровые краны из ПКМ на параметры до DN250 и PN16. В ОАО «МосЦКБА» для того, чтобы создать конкурентоспособные шаровые краны больших типоразмеров (до DN500) и на большее давление (до PN25) в конструкцию опытного образца шарового крана DN50 PN25 было внесено пять принципиально новых технических решений, на которые подана заявка на получение патента [3] .
Первым таким решением является разборной корпус (Рис.1), состоящий из нескольких простых элементов, что упрощает изготовление их в пресс-форме методом экструзии. Использование в конструкции корпуса бугельного разъемного соединения патрубков между собой позволило отказаться от стального крепежа и все детали корпуса изготовить из одного материала — полимерного композита. В конструкции корпуса хомуты бугельного соединения являются силовыми деталями и воспринимают нагрузки от давления рабочей среды. Для того, чтобы хомуты не сместились и не вышли из пазов, в корпусе предусмотрена тонкостенная оболочка из поливинилиденфторида (ПВДФ, по российской классификации – фторопласта 2), которая удерживает все детали в сборе (Рис.2). Оболочка может быть отлита в специальной пресс-форме или выполнена из стандартной трубы из ПВДФ, одетой на хомуты и при воздействии высокой температуры обжатой на корпусе крана для обеспечения ее плотного прилегания и исключения зазоров. Необходимо отметить, что ПВДФ обладает высокой стойкостью к ультрафиалету, что позволяет кран не окрашивать. При разборке крана (например, для проведения ремонта) оболочка удаляется. Предлагаемая конструкция корпуса крана является инновационной и у изученных нами конкурентов не встречается. Уникальная конструкция корпуса позволяет отказаться от крепежных деталей, при этом кран остается разборным, т.е. ремонтопригодным, и все его детали изготовлены из одного материала и имеют одинаковый коэффициент линейного расширения.
5– шаровая пробка; 6 – опора нижняя; 7– седло;
8 – подшипник; 9 – втулка сальника; 10 – ограничитель поворота рукоятки; 11 – заглушка; 12 – диск; 13 – шпиндель; 14 – вставка-ключ; 15 – рукоятка; 16 – винт; 17 – уплотнение корпуса; 18 – оболочка; 19 – уплотнение седел;
20 – гайка; 21 – шайба; 22 – сальниковое уплотнение шпинделя
Вторым принципиально новым решением является механизм уплотнения шаровой пробки (Рис.3). Так как конструкция крана рассчитана для применения на трубопроводах больших диаметров при повышенных давлениях, в кране применена конструктивная схема «пробка в опорах». В стальных шаровых кранах этой конструктивной схемы пробка уплотняется плавающими седлами, которые при низком давлении прижимаются к пробке пружинами, а при повышении давления — рабочей средой. Во вновь разработанном шаровом кране, чтобы обеспечить его высокую коррозионную стойкость, стальные пружины были исключены из конструкции, а поджим седел к пробке обеспечивается в конце ее поворота на закрытие за счет специальных винтовых выступов, выполненных на торце седла и торце патрубка корпуса. Примененный в кране винтовой механизм это, по сути, часть трапецеидальной или упорной резьбы, которая широко используется в домкратах и винтовых зажимах. То есть, аналогично резьбовому соединению, поворачивая седло вокруг оси патрубка крана, мы одновременно перемещаем его прямолинейно вдоль оси. Для поворота седел на шпинделе крана на шлицах одет специальный диск. На диске имеются выступы, которые в конце поворота пробки на закрытие входят в пазы на торцах седел и поворачивают их, в результате чего седла, перемещаясь по винтовым выступам, прижимаются к пробке. То, что диск установлен на шпинделе на шлицах, позволяет корректировать износ уплотнений без демонтажа крана с трубопровода простой перестановкой расположенного на шпинделе диска на один шлиц. Конструкция крана выполнена таким образом, что в положении «закрыто» выступы на диске располагаются вдоль пазов на седлах и одновременно вдоль оси патрубков корпуса, что позволяет седлам под действием давления рабочей среды «свободно плавать», прижиматься к пробке и надежно герметизировать кран (в закрытом положении обеспечен эффект самоуплотнения). В разработанном кране, как и в классических конструкциях шаровых кранов с плавающими седлами, обеспечивается принцип: чем выше давление рабочей среды, тем лучше герметизируется запорный орган. Еще одним уникальным свойством вновь разработанного крана является то, что оператор может управлять силой прижатия седла к пробке подобно тому, как это обеспечено в конструкциях задвижек или клапанов, поэтому при необходимости кран может быть закрыт «посильнее». Для более надежной герметизации крана в седле, на поверхности, сопрягаемой с пробкой, выполнена кольцевая канавка с профилем «ласточкин хвост», в которой установлено резиновое кольцо во фторопластовой оболочке. За счет упругой сердцевины и фторопластовой оболочки такие кольца надежно работают в условиях агрессивных сред и высоких давлений с низким коэффициентом трения. Применение винтового механизма вместе с резиновым кольцом позволяет обеспечить герметичность в затворе по классу «А» при минимальном усилии на рукоятке. Это свойство особенно важно при автоматизации крана, так как дает возможность применять для его управления дешевые маломощные приводы. Винтовой механизм поджима плавающих седел позволил исключить из конструкции любые металлические детали, что обеспечивает коррозионную стойкость изделия. Предлагаемая конструкция уплотнения пробки крана является инновационной и у изученных нами конкурентов не встречается.
Третьим принципиально новым решением является особая конструкция сальника в кране.
Для фиксации сальникового уплотнения используется быстроразъемное байонетное соединение, которое позволяет в течение нескольких минут произвести замену вышедшего из строя уплотнения новым. Для разблокировки сальниковой втулки ее необходимо повернуть всего на угол 45 градусов, после чего она извлекается из корпуса (Рис. 4).
Четвертым новым решением в конструкции крана стала универсальная рукоятка, которая кроме основной функции, дополнительно выполняет роль ограничителя поворота пробки крана, гаечного ключа, приспособления для перемещения шпинделя и позволяет оператору при отсутствии специального инструмента в течение нескольких минут произвести замену сальникового уплотнения. Рукоятка фиксируется на шпинделе с помощью винта, который одновременно фиксирует на рукоятке и вставку-ключ. Замена сальникового уплотнения производится следующим образом (Рис.4): с помощью винта и вставки-ключа сальниковая втулка байонетного соединения поворачивается на угол 45 градусов. Дальше винт вкручивается в торец шпинделя и с помощью рукоятки последний «утапливается» в полость крана, в результате чего обеспечивается свободный доступ для извлечения сальниковой втулки и замены уплотнения. Обратно из крана шпиндель извлекается с помощью того же винта и рукоятки, для чего на ней выполнен специальный паз.
То, что шпиндель может быть утоплен в кране, является пятым принципиально новым решением. Это свойство используется при сборке крана, при замене сальникового уплотнения, при заливке и удалении оболочки из ПВДФ.
По заказу ОАО «МосЦКБА» специалистами ЗАО «Би Питрон» с помощью программного комплекса Digimat-MF был проведен проверочный расчет деталей и узлов шарового крана, в результате чего подтверждена его работоспособность при давлении 2,5 МПа и температуре рабочей среды +120°С (Рис.5).
Подводя итог, полагаем целесообразным перечислить все основные преимущества, которыми обладает разработанный опытный образец инновационного шарового крана из ПКМ DN50 PN25:
— коррозионная стойкость композитов в разы превышает коррозионную стойкость металлов;
— ПКМ обладают высокой абразивной устойчивостью и «не зарастают» отложениями, содержащимися в рабочей среде;
— механическая обработка после литья отсутствует, детали готовы к сборке сразу после остывания;
— вес арматуры из композитов в 3-5 раз меньше стальной;
— себестоимость на каждой детали снижена до 28%;
— кран ремонтопригоден, может быть разобран и снова собран;
Опубликовано в журнале «Химическая техника» №7/2016