Введение

В свое время широкое распространение шаровые краны получили именно благодаря созданию полимерных седел, способных удерживать высокие давления и температуры и обеспечивать требуемую герметичность. Это произошло в 30-е годы 20-го века, когда был изобретен тефлон. С его широким распространением начали производиться в большом количестве и шаровые краны с мягкими уплотнениями.

Сегодня шаровые краны и дисковые затворы с полимерными уплотнениями нашли свою нишу и успешно конкурируют с поворотной арматурой с эластомерными уплотнениями и уплотнениями металл по металлу. Многие компании научились производить уплотнения как самостоятельно, так и используют уплотнения, производимые специализированными компаниями. Количество марок полимеров, особенно на основе фторопластов, каждый год прибавляется. Они обеспечивают работу арматуры в разных условиях эксплуатации, и для этого в них формируют специфический подбор механических и антикоррозионных свойств и других свойств в зависимости от требований заказчика.

Современный подход к выбору и изготовлению уплотнений и седел шаровых кранов и дисковых затворов, а также другой поворотной арматуры предполагает хорошее знание материалов, типов затворов арматуры, технологий изготовления и проблем, которые могут возникнуть в связи с неправильным выбором оптимального типа материала седла, отсутствием соответствующих нагрузок расчетов, отклонений качества уплотнения в связи с несовершенством технологии.

Большую роль в развитии использования полимерных седел начинают играть 3D-технологии моделирования и изготовления уплотнений методами 3D-печати. Особенно важно представить именно эту технологию, поскольку традиционные виды технологии, такие как изготовление методами механической обработки из трубной заготовки, спекание на горячих прессах, литье на термопластавтоматах имеют значительные ограничения как капиталоемкости такого производства, рассчитанного в целом на высокую серийность и массовость потребления, по срокам изготовления, трудоемкости технологической подготовке производства и использованию ограниченного ассортимента уплотнений достаточно простых форм.

Роль новых видов изготовления уплотнений возрастает с ростом используемых номинальных диаметров поворотной арматуры. Уже сейчас средние диаметры на многих непрерывных крупнотоннажных производствах превышают DN300-500мм. Размеры в 1500 мм уже не являются редкостью, а некоторые виды шаровых кранов уже работают на диаметре 1640мм. Для дисковых затворов такие размеры только самое начало. На крупных металлургических производствах можно встретит поворотные дисковые затворы диаметров и 2000 и даже 4000 мм. Здесь традиционная технология изготовления полимерных уплотнений и седел начинает сдавать свои позиции.

Рис.1.1. Уплотнения шарового крана DN 800мм, Констафтор 300С [1]

Проблема применения пластмасс охватывает ряд вопросов от выбора материала, типа конструкции, выбора способа изготовления, оборудования, разработки технологии изготовления, испытания, расчета экономической эффективности. Подход к выбору применения пластмасс в уплотнениях и седлах арматуры должен быть системным, охватывающим все этапы от выбора пластмасс до изготовления уплотнений.

Выбор пластмасс основывается на знании эксплуатационных, определяющих работоспособность пластмасс в условиях эксплуатации в арматуре, и технологических свойств, определяющих поведение пластмасс при переработке различными методами. Для рационального выбора важна систематизация условий эксплуатации требований к эксплуатационным свойствам пластмасс в уплотнениях. Процедуру выбора пластмасс облегчает анализ основных свойств различных, уже применяющихся пластмасс, их преимуществ и ограничений по применению, а также классификация пластмасс по эксплуатационному назначению с рекомендациями по их рациональному применению. При подборе должны учитываться методы переработки, условия подготовки к переработке и формованию.

Рациональный подбор основывается на знании марочного ассортимента полимеров и анализе тенденций изменения их свойств при создании композиционных материалов. В курсе приводятся основные данные, необходимые для выбора материала для уплотнений. Большое внимание мы уделим перспективным технологиям и разработке новых видов конструктивных решений на основе понимания законов развития технических систем.

Задачей, поставленной в представленном материале является:

– предоставить обзор современных конструкций затворов и используемых материалов;

– показать направления развития технологий применения и изготовления полимерных уплотнений поворотной арматуры;

– представить новые решения на основе моделирования на основе методов МКЭ в программной оболочке ANSYS;

– дать представление о возможностях 3D-печати в области создания новых типов уплотнений.

Раздел 1. Обзор применяемых затворов

1.1. Затворы шаровых кранов и клапанов

Шаровые краны могут иметь плавающий шар и шар в опорах (с фиксированной осью). Уплотнение затвора в кранах с плавающим шаром происходит путем самоуплотнения, так как шар под действием давления рабочей среды прижимается к седлу. Такие конструкции для управления требуют больших крутящих моментов, а, следовательно, приводов большой мощности.

В кранах больших размеров, например, в магистральных шаровых кранах, предпочтительны конструкции с шаром в опорах. При этом шар с двумя цапфами поворачивается вокруг фиксированной оси, образованной двумя цапфами, а уплотнение осуществляется подвижными седлами, поджимаемыми к шару пружинами, расположенными по окружности седла, или резиновым поджимным кольцом, Уплотнительные кольца, установленные на седле, могут изготовляться из резины, фторопласта, капролона, фторопласта с наполнителями, полиуретана, терморасширенного графита или бронзы. Высокие эксплуатационные качества показали

уплотнительные кольца из резины, марка которой подбирается в зависимости от условий эксплуатации крана.

Непременным условием работоспособности резиновых колец является высокая твердость резины. Хорошо зарекомендовали себя резиновые уплотнительные кольца, покрытые фторопластовой пленкой.

Для уплотнительных колец и уплотнений по штоку используется чистый или наполненный фторопласт, как химически стойкий, так и обладающий низким коэффициентом трения (менее 0,1). Однако фторопласт теряет свои свойства при температурах выше 100°С, а при температуре 230°С его стойкость падает до 0⁰С. Это вынудило использовать графики зависимости рабочего давления от температуры для мягких уплотнений кранов. Указанная зависимость для чистого фторопласта регламентирована BS 5351 (рис. 1.2.).

Рис. 1.2. Зависимость рабочего давления в шаровых кранах с уплотнениями

из чистого фторопласта от температуры: А – 2”; B – 3“; C – 6”… 8”; D – 10”… 8”

Нейлоны, полиэстер кетоны (РЕЕК), флубон и другие модификации фторопласта, графитовые уплотнения, обычно терморасширенный графит, используются для повышения стойкости при высоких давлениях и температурах.

В табл. 1.1 приведены конструкции подвижных седел шаровых кранов с пробкой в опорах.

Таблица 1.1. Конструкции подвижных седел шаровых кранов с шаром на опорах

В связи с повышенными усилиями, действующими на седлах шаровых кранов больших диаметров прохода, и значительным износом уплотнительных поверхностей под действием этих усилий в некоторых конструкциях предусматривается автоматический отжим уплотнительных колец давлением рабочей среды (газом в газовых магистральных кранах) перед поворотом шара и подача густой смазки в затвор. Эти действия выполняются автоматически, что предусмотрено системой управления краном, имеющей сложную схему и включающей соответствующие блоки управления, электромагнитные клапаны и другие элементы.

Подвижные седла, снабженные уплотнительными кольцами, расположены в цилиндрических расточках корпуса крана.

Для больших перепадов давления, особенно в шаровых кранах, работающих в режиме дросселирования, применяются многослойные уплотнения, состоящие из чередующихся колец, изготовленных из металла и терморасширенного графита (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Многослойное уплотнение шарового крана

Получая возможность расширяться, проходя через входное сечение, или сжиматься на выходе, поток испытывает пульсации давления, следуя мимо слоев металла и графита. Процесс аналогичен происходящему в многоступенчатом редукционном клапане, в данном случае каждый слой графита воспринимает только частичную нагрузку от общего перепада давления.

Многослойная конструкция уплотнительных колец металл – графит позволяет эксплуатировать шаровые краны при температурах 400…600 °С.