В статье рассмотрены результаты проектирования шаровых кранов из полимерных композиционных материалов (ПКМ) с диаметрами номинального прохода более 50 мм и рассчитанных на рабочее давление до 4 МПа. Особенности механических и физических свойств ПКМ привели разработчиков к необходимости применения нестандартных технических решений, заключающихся в объединении в разрабатываемой конструкции основных узлов традиционного шарового крана с отдельными элементами механического привода
Для того чтобы информация сугубо технического характера стала познавательной в более широком плане, позволим себе небольшое лирическое отступление. Ведь давно доказано, что любимой работой является не только та, которая приносит хороший доход, но и та, которая интересна и приносит моральное удовлетворение. А насколько наша работа таковой является – это во многом зависит от нас.
Итак, в описываемой конструкции шарового крана в качестве элементов механического привода использован мальтийский механизм, который получил свое название за сходство ведомого звена с контурами мальтийского креста. Мальтийский крест нам извес-тен как символ, принятый в качестве отличительного знака у членов Мальтийского ордена, старейшего в мире рыцарского ордена Римско-католической церкви. Но в данной статье нам интересен не сам почетный орден, а его восьмиконечный крест. Крест, как символ, в том или ином виде мы встречаем во множестве в своей повседневной жизни, но практически никогда не задумываемся о его смысловой нагрузке. Например, крест мы видим на входе в аптеку, на автомобилях скорой помощи и на аптечках, на церквях, на украшениях; даже на компьютерной клавиатуре мы жмем на него, если нам нужно сложить какие-то два числа. Не удивительно, что этот символ так широко распространен – он является древним универсальным знаком, встречается во многих культурах в разные исторические периоды и обладает сакральным значением: крест был орудием смерти и символом спасения, им проклинали и благословляли. Всегда в изображении креста, какой бы формы он не был, заложен определенный смысл. Члены Мальтийского ордена считали, что восемь концов их креста символизируют восемь блаженств, которые ожидают праведника в загробной жизни, а перекладины креста символизируют наконечники копий, на остриях которых рыцари несут веру. У индейцев племени Сиу также встречался похожий символ в виде креста, состоящий из четырех стрел, заключенных в контуре круглого щита, сходящихся своими остриями в одной точке. Этот символ олицетворял процесс познания. Не углубляясь дальше в значение и историю такого атрибута, как крест, отметим, что символические знаки вокруг себя мы видим постоянно, но почти никогда не акцентируем на них внимание. Несмотря на это, наш мозг устроен таким образом, что большая часть того, что воспринимает человек, лежит ниже порога сознания. И только иногда, в особый момент озарения, происходящий в результате длительных рациональных мыслительных процессов, нужная информация поднимается на уровень сознания, зачастую ошарашивая самого носителя этого сознания. Ярким примером тому может служить легенда об Архимеде, бегущем по городу из купальни домой со словами «Эврика».
В нашем случае при проектировании шарового крана из ПКМ и поиске оптимальных решений образ мальтийского креста всплыл в сознании в нужный момент и гармонично вписался в новую конструкцию. На рисунке в начале статьи размещено стилизованное изображение креста, состоящего из стрел, расположенных на «мальтийском щите», каждая из которых символически наделена определенным смыслом. В «нашем» кресте стрелы означают следующие качества: знание, опыт, труд и удача, а в целом рисунок показывает, что соединение этих добродетелей в одной точке, подобно попаданию «в яблочко», всегда приносит нужный результат.
Стальная трубопроводная арматура многие десятилетия успешно эксплуатируется в различных отраслях промышленности, но в последние годы полимерные композиционные материалы вслед за такими высокотехнологичными отраслями, как авиа-, автомобиле- и судостроение все в большей степени появляются в системах трубопроводного транспорта. В городском коммунальном хозяйстве уже стали привычными газопроводы из полиэтилена, из полипропилена изготавливают трубопроводы для водообеспечения, из армированного полипропилена – трубопроводы горячего водоснабжения и канализации. Все эти материалы обеспечили удобство при монтаже трубопроводов в городских инженерных системах, они полностью соответствуют санитарным нормам, а срок их службы достигает 50 лет. Другими потенциальными потребителями трубопроводов из ПКМ являются в первую очередь химическая промышленность, нефтедобыча, нефтепереработка и энергетика.
Естественно, что на трубопроводах из ПКМ должна применяться и трубопроводная арматура, изготовленная из аналогичных материалов. Сегодня для комплектования этих трубопроводов российский рынок предлагает в основном неметаллическую трубопроводную арматуру зарубежных производителей. Тем не менее, необходимо отметить, что в последнее время все большее число отечественных предприятий предпринимают усилия по освоению трубопроводной арматуры из ПКМ. Одним из них является ООО «Константа-2», которое в Волгоградской области разворачивает серийное производство шаровых кранов и дисковых затворов DN25-100 PN25 из композита Констафтор, созданного на основе термореактивных смол [1]. Необходимо отметить, что у западных производителей встречается трубопроводная арматура как из реактопластов, так и из термопластов. Каждый класс этих материалов имеет свои положительные и отрицательные стороны. Так, арматура из термопластов более технологична, но уступает реактопластам по температуре эксплуатации, также она характеризуется большими значениями коэффициента линейного расширения. Какой материал применить, каждый производитель определяет самостоятельно, руководствуясь вопросами материального обеспечения, производственных возможностей и целевым назначением арматуры.
Несмотря на очевидные преимущества трубопроводной арматуры из ПКМ, такие как высокая коррозионная стойкость, низкий удельный вес, сокращенный цикл изготовления, удобство монтажа, отсутствие современных отечественных полимерных композитов и высокая стоимость этих материалов у зарубежных поставщиков негативно сказываются на ценовых характеристиках трубопроводной арматуры из ПКМ, делая ее порой дороже стальных аналогов, и, как следствие, неконкурентоспособной. Такое положение приводит к тому, что в сложившихся условиях имеет смысл осваивать производство изделий из ПКМ только небольших диаметров, на невысокое давление и температуру рабочей среды, что, собственно, сегодня и наблюдается. Например, АО «НПО «Сплав» (г. Тула) совместно с МГУ имени М.В. Ломоносова презентовали шаровые краны на давление до PN40 и температуру рабочей среды до 150°С с номинальными диаметрами DN15-50 [2]. Данный размерный диапазон не достаточен для охвата такой целевой области применения, как транспортировка нефти и газа, где используются трубопроводы значительно больших диаметров.
Практически все конструкции шаровых кранов из ПКМ повторяют конструкцию стальных аналогов. Как правило, это конструкция крана с плавающей пробкой, которая характеризуется простотой, но, одновременно с этим увеличенным крутящим моментом на шпинделе. Дальнейшее увеличение номинального диаметра такого шарового крана не может быть выполнено в результате простого масштабирования. Ограниченные характеристики большинства ПКМ по пределу прочности на растяжение, относительно малый диапазон рабочих температур заставляют разработчиков искать и применять более дорогие ПКМ или иные материалы, что в свою очередь усложняет и удорожает технологию производства. Например, большой крутящий момент на шпинделе крана приводит к необходимости изготавливать его из более прочной коррозионно-стойкой стали в ущерб стойкости крана в агрессивных средах или делать шпиндель комбинированным, состоящим из полимера и стального сердечника, что усложняет технологию его изготовление. Кроме того, для управления шаровым краном с увеличенным крутящим моментом требуются более дорогие и громоздкие приводы.
Для удовлетворения потребности рынка в шаровых кранах больших типоразмеров было принято решение проработать возможность создания оригинальной конструкции, не копирующей стальные аналоги, а учитывающей специфические свойства имеющихся в наличии отечественных или доступных по цене зарубежных ПКМ. За основу для разработки была взята конструкция шарового крана с клиновым поджатием плавающих седел к пробке по патенту РФ RU 2588337 [3] и отдельные элементы серийных кранов.
Несмотря на заимствование общей концепции, новая конструкция существенно отличается от своего прототипа [4]. Главное ее преимущество – появилась возможность управлять седлами крана и моделировать их перемещение относительно перемещения запорного органа. Какие возможности в результате этого стали доступными, будет описано далее. Внешний вид вновь разработанного шарового крана показан на рис. 1, а состав его конструкции – на рис. 3. По аналогии с шаровыми кранами серии С110ASV фирмы Stu∙∙bbe (Германия) (рис. 2) корпус в новом кране выполнен двухсоставным с центральным разъемом. По сравнению с другими конструкциями такой корпус дешевле, так как имеет один разъем вместо двух; к его недостаткам можно отнести необходимость применения специального уплотнительного кольца, которое одновременно с разъемом частей корпуса уплотняет и втулки шпинделя. Однако это не является проблемой, так как при невысоких давлениях рабочей среды на стадии освоения производства оригинальное уплотнительное кольцо может быть заменено закладкой шнура из ФУМ, что уже было успешно опробовано на практике в других подобных конструкциях.
![Рис. 2. Составные части шарового крана серии С110ASV фирмы Stu∙∙bbe (Германия) [5]](https://chemtech.ru/wp-content/uploads/2019/02/log2_fmt.jpg)
В отличие от зарубежного аналога два полукорпуса нового крана соединяются друг с другом с помощью бугельного соединения. Это сделано с целью исключить применение в данном соединении стальных шпилек, которые имеют иной, чем корпусные детали из ПКМ, коэффициент линейного расширения, что оказывает существенное влияние на прочностные характеристики крана. Также следует отметить, что в принятой конструкции корпуса хомуты бугельного соединения являются силовыми деталями и воспринимают осевые нагрузки от давления рабочей среды и трубопроводов, а шпильки и гайки, соединяющие хомуты между собой, существенно разгружены от воздействия этих усилий. За счет применения конусных поверхностей на внутренних торцах хомутов при сборке крана обеспечивается плотное соединение двух полукорпусов между собой.
Основным новшеством в конструкции шарового крана стало то, что она оснащена тремя шпинделями: первый, как и в обычном кране, связан с шаровой пробкой и управляет ее поворотом, второй расположен оппозитно снизу крана и управляет перемещением седел (он одновременно служит нижней опорой для шаровой пробки), третий – промежуточный, кинематически связан как с первым, так и со вторым шпинделем и управляется ручным (рукояткой) или автоматическим приводом.
Кинематическая связь между промежуточным шпинделем и двумя другими шпинделями выполнена с помощью мальтийского механизма, который является механизмом прерывистого движения, преобразующим равномерное вращательное движение ведущего звена (рукоятки или автоматического привода) в прерывистое вращательное движение ведомого звена (шаровой пробки и седел). Мальтийский механизм применяется чаще всего в металлообрабатывающих станках-автоматах, кузнечных прессах для поворота стола с заготовкой, автоматических линиях для транспортировки изделий, киноаппаратах для перемещения киноленты с остановками.
В таблице показана циклограмма перемещений шаровой пробки и седел при повороте рукоятки на угол 180°. Как видно из циклограммы, в разработанном шаровом кране при его открытии сначала производится отвод седел от неподвижной шаровой пробки, а только затем ее поворот из положения «закрыто» в положение «открыто». Таким образом, поворот шара происходит без контакта его поверхности с поверхностью седел. Механизм уплотнения является важным аспектом долговечности крана. Почти вся арматура – стандартные шаровые и пробковые краны, шиберные задвижки, дисковые затворы и т.д. – имеют механизм уплотнения, основанный на силах трения: при открытии крана происходит разрыв контактирующих уплотнительных поверхностей в результате сдвига, а при закрытии происходит прижатие уплотнительных поверхностей по аналогичной схеме. Кроме того, в классических шаровых кранах в отличие от клапанов, где уплотнительные поверхности имеют ограниченную площадь в виде кольца, вся сферическая поверхность запорного органа должна иметь высокое качество обработки, хотя при этом контакт седла с пробкой в положении крана «закрыто» идет по той же, что и у клапанов, ограниченной площади в виде кольца. Таким образом, заказчик вынужден оплачивать из своего кармана такую роскошь, как «VIP-проезд» уплотнений седел по всей качественно обработанной поверхности шаровой пробки, при этом понимая, что такое положение вещей не улучшает герметичность крана и сокращает срок его эксплуатации.
При разработке новой конструкции было решено за это «VIP-удовольствие» не платить, а создать такой кран, который при сохранении всех преимуществ классического шарового крана позволил бы получить совершенно новые качества.
Механизм уплотнения в новом кране основан на осевом перемещении седел и плотном поджатии их к шару: первоначально за счет привода, а затем за счет давления рабочей среды на седла. Такой способ уплотнения не подвержен трению и исключает истирание уплотнительных поверхностей, тем самым обеспечивая длительную работоспособность крана. Седла крана всегда совершают только незначительное осевое перемещение при отсутствии вращения запорного органа, а степень прижатия уплотнительных поверхностей может быть отрегулирована, когда кран находится в рабочем состоянии. Для этого достаточно изменить положение мальтийского креста на шпинделе управления седлами относительно положения мальтийского креста на шпинделе управления шаровой пробкой.
На рис. 4 показана кинематика механизма шарового крана с управляемыми седлами. Седла крана устанавливаются в обоймы с возможностью осевого перемещения в них, на торце каждой обоймы нарезан зубчатый сектор, который находится в зацеплении с установленным на нижнем шпинделе зубчатым колесом, имеющим нарезанные ответные зубчатые секторы. Благодаря зубчатому зацеплению при вращении нижнего шпинделя вращаются обоймы седел, а сами седла перемещаются в осевом направлении.
Как видно из рис. 4 и циклограммы перемещений (см. таблицу), блокировка шаровой пробки мальтийским механизмом предотвращает ее вращение из-за воздействия сил в трубопроводе. За счет этого исключаются гидравлические удары, хлопки и обеспечивается безопасность обслуживающего персонала.
Предложенная кинематическая схема управления шаровым краном имеет большой потенциал для изменений. В данном варианте исполнения крана для поджима седел к шару использованы торцовые выступы на полукорпусах и седлах по патенту РФ RU 2588337 [3]. Однако для чистых сред седла могут устанавливаться в полукорпусах на трапецеидальной или упорной резьбе, в результате чего шаровая пробка будет зажиматься седлами, как тисками, обеспечивая надежную герметичность даже при низком качестве обработки уплотнительных поверхностей; но седло в этом случае теряет возможность «плавать» и самоуплотняться, поэтому в изображенном варианте крана данная технология не использована.
Здесь важно обратить внимание еще на один момент. Вернемся к таблице, которая показывает циклограмму перемещений седел и шаровой пробки при угле поворота рукоятки 180°. Она дана в первой части настоящей статьи, и это сделано специально, для большей наглядности, чтобы показать читателю: перемещение седел и запорного органа происходят строго по очереди. В данном же разделе статьи мы хотим акцентировать внимание на том, что кран с поворотом рукоятки на 180° удобен в условиях тесной блочной установки арматуры, так как его рукоятка всегда расположена вдоль оси трубопровода и не мешает проходу обслуживающего персонала. На рис. 5 показан такой шаровой кран как в положении «открыто», так и в положении «закрыто», о чем свидетельствует его стрелка-указатель. В положении «открыто» рукоятка упирается штифтом в специальный упор, закрепленный на корпусе, а в положении «закрыто» упором служит плотный контакт седел с шаровой пробкой. Однако новая конструкция шарового крана может успешно управляться и при привычном всем угле поворота рукоятки 90°, что обусловлено характером изменения угловой скорости выходного звена в мальтийском механизме.
Для изменения перехода к четвертьоборотной (с уг-лом поворота 90°) схеме управления краном достаточно изменить положение мальтийского креста на шпинделе управления седлами относительно положения мальтийского креста на шпинделе управления шаровой пробкой. На рис. 6 показаны графики изменения угловой скорости мальтийского креста шпинделя, связанного с шаровой пробкой, и мальтийского креста шпинделя, связанного с седлами, в шаровом кране с углом поворота рукоятки 90°. При открытии такого крана осуществляется максимальное перемещение седел при еще неподвижной шаровой пробке.
Как видим, в новом кране легко моделируются разные схемы управления без применения каких-либо специальных приводов. Кран может управляться простой рукояткой, ручным редуктором, а также всеми типами приводов: электрическим, гидравлическим, пневматическим.
Подводя итог, отметим, что вновь разработанная конструкция шарового крана из ПКМ с управляемыми седлами (рис. 7) обладает следующими преимуществами:
- масса арматуры из композитов в 3–5 раз меньше массы стальной;
- механическая обработка деталей из ПКМ после литья, как правило, отсутствует, так как они готовы к сборке сразу после остывания;
- ПКМ обладают высокой абразивной устойчивостью и не «зарастают» отложениями, содержащимися в рабочей среде;
- все детали, контактирующие с рабочей средой, изготовлены из ПКМ, стойкость против коррозии которого в разы превышает коррозионную стойкость металлов;
- детали крана, не контактирующие с рабочей средой, могут быть изготовлены из более дешевых, но более прочных коррозионно-стойких сталей;
- использование схемы крана с пробкой в опорах позволяет снизить момент управления и изготавливать краны больших типоразмеров со шпинделем из ПКМ;
- кран ремонтопригоден: может быть разобран и снова собран;
- кран может управляться приводом, обеспечивающим поворот как на 90°, так и на 180°;
- увеличен ресурс уплотнений седел;
- реализована возможность управлять силой прижатия седел к пробке, что обеспечивает высокую надежность крана;
- крутящий момент, необходимый для управления краном, меньше, чем у аналогов, что позволяет применить более дешевые приводы и тем самым компенсировать возможное увеличение стоимости крана в связи с усложнением конструкции.
ОАО «МосЦКБА» приглашает заинтересованные стороны к сотрудничеству в деле освоения серийного производства инновационных шаровых кранов из ПКМ.
Список литературы
1. «Константа-2» в Волжском запускает проект по производству запорной арматуры из композиционных материалов. [Электронный ресурс]. URL: https://volpromex.ru/aktualno/konstanta-2-v-volzhskom-zapuskaet-proekt-po-proizvodstvu-zapornoj-armatury-iz-kompozitsionny-h-materialov.html
2. НПО «СПЛАВ» представил запорную арматуру на выставке PCVEXPO «Насосы. Компрессоры. Арматура. Приводы и двигатели». [Электронный ресурс]. URL: http://splav.org/v3/news.asp#pcvexpo
3. Пат. 2588337 РФ. МПК F16K 5/20. Шаровой кран с клиновым поджатием плавающих седел к пробке.
4. Логанов Ю.Д., Мороз В.В. Инновационные шаровые краны из композиционных материалов для агрессивных сред// Химическая техника. 2016. ¹7. С. 20–23
5. Шаровой кран С110. SV Stübbe GmbH & Co. KG (Германия). [Электронный ресурс]. URL: http://www.asv-stuebbe.ru/pdf_datasheets/398514.pdf
______________________________________________________________________________
Статья опубликована в журнале «Химическая техника» №11/2018: