Засувки з керамічними запірно-регулюючими
елементами - новий напрямок
в арматуробудуванні
Важко назвати більш поширені і необхідні для життєдіяльності сучасної цивілізації пристрої, якими є запірна і запірно-регулірющая арматура. Вся Росія буквально утикана засувками. На будь-якому, навіть найменшому заводі, їх сотні і тисячі. Вони стоять на атомних і гідроелектростанціях, на нафто - і газопроводах, на літаках, ракетах і підводних човнах, на міських мережах комунального господарства. в установах і житлових будинках.
Якщо спуститися у підвал будь-якого міського будинку, то там можна виявити, як мінімум, два десятка засувок, половина яких протікає, через що в підвалі завжди сиро і пахне цвіллю, розлучаються комахи. Якщо спробувати відкрити або закрити одну з таких засувок, то швидше за все, з цього нічого не вийде. Так йдуть справи в міському комунальному господарстві. Ще гірше на виробництвах, особливо - хімічних. У повітря відлітають десятки і сотні кубометрів далеко образливих хімічних сполук. Засувки не раз були причиною вибухів на нафто - і газопроводах, аварій, що супроводжуються людськими жертвами, за своїми екологічними масштабами порівнянних зі стихійними лихами.
У розвитку арматуростроения на сьогоднішній день простежується три покоління засувок. Засувки 1-го покоління - це добре відомі клинові засувки Лудлов, винайдені в XIX столітті. Типовий приклад клиновий засувки наведено на рис.1.
Ці засувки володіють двома перевагами - їх виробництво в масовому масштабі освоєно промисловістю і при експлуатації вони швидко виходять з ладу, тому попит на них не припиняється. До них звикли споживачі, налагоджена система їх ремонту, обслуговування та заміни, налагоджені канали постачання.
Недоліки клинових засувок теж добре відомі. Це ненадійність і недовговічність роботи, швидка Потро герметичності, заклинювання і заїдання, необхідність регламентного обслуговування і ремонту, неможливість нанесення захисних покриттів, неможливість роботи в регулювальному режимі, труднощі автоматизації відкриття-закриття.
Зазначені недоліки випливають з самої конструкції клиновий засувки. Недовговічність і ненадійність пов'язана з тим, що клиновий запірний елемент, а також прецизійні поверхні корпусу під час експлуатації піддаються ерозії, між ними можливе попадання сторонніх предметів, що перешкоджають повного закриття, клиновий елемент не може перебувати в проміжному стані між положеннями «відкрито-закрито», між приводом і засувкою доводиться ставити редуктор з великим передавальним відношенням і т. п.
В кінці XX століття з'явилася запірна арматура другого покоління. Це, так звані, кульові крани, (засувки кульового типу) які освоєні великою кількістю іноземних фірм (див. Рис.2) і вітчизняних конверсійних підприємств. Досвід експлуатації кульових кранів показав їх більш високу надійність. Однак, більшість проблем клинових засувок залишилися як і раніше невирішеними. Кульові засувки потребують частого обслуговування і ремонтах. При тривалій експлуатації відбувається ерозія і деформування запірного вузла, «закусиваніе» ущільнюючих елементів. Вони не захищені від руйнування при попаданні в запірний вузол сторонніх твердих предметів, зазвичай присутніх в перекачуваних середовищах. Крім того, кульові крани не витримують роботи в напіввідкритому стані, який необхідний при регулюванні подачі робочого середовища.
Особливо наочно недоліки кульових кранів проявляються на газопроводах великих перетинів (300 і більше мм). Такі засувки можна закрити тільки один раз.
Саме по собі використання кераміки в якості запірно-регулюючих елементів відкриває абсолютно нові перспективи. Кераміка - це природний матеріал, який, як прийнято говорити, є «мертвим» - не схильний до мимовільного зміни форми, старіння, іржавіння і т. Д. Відомо, що керамічний посуд античних часів пролежала в землі століття.
Побутові керамічні крани-вентилі, крани-змішувачі вже давно випускаються рядом зарубіжних фірм і деякими російськими підприємствами. Однак, позитивний досвід розробки, виготовлення і використання промислової запірно-регулюючої арматури з керамічними елементами в цій роботі є, мабуть, вперше. Справа в тому, що кераміка, незважаючи на свою багатовікову історію експлуатації, є досить складним для технічного застосування матеріалом, що потребують спеціальних методів конструювання, високих технологій і культури виробництва.
На рис.3 представлена принципова схема і фотографія дослідного зразка засувки з керамічними запірно-регулюючими елементами. Засувка складається з двох полукорпусов, по площині роз'єму яких розташовані три керамічних диска, що мають по три наскрізних отвори - прохідних вікна. Два крайніх диска встановлені нерухомо, а середній диск - має можливість повороту навколо своєї осі, перекриваючи або відкриваючи прохідні вікна. Крутний момент на середній диск передається від маховика або електродвигуна через черв'ячний вал, що знаходиться в зубчастому зачепленні з черв'ячним вінцем, сполученим із середнім диском. Бічні керамічні диски підтискаються гумовими манжетами, розташованими між блоком дисків і корпусом засувки. На засувці є вікно візуального спостереження для контролю ступеня її відкриття.
Вікно візуального спостереження з покажчиком ступеня відкриття засувки
Рис.3. Принципова схема і дослідний зразок засувки з керамічними
Переваги нової засувки з усією очевидністю випливають з її конструкції.
· Запірні керамічні елементи мають високу твердість і практично не схильні до зносу, витримують мільйони циклів «відкрито-закрито». Під час випробувань легко перерізали металеві предмети, що потрапляють в запірний вузол.
· На відміну від клинових засувок і кульових кранів, в яких утруднена якісна механічна обробка контактуючих поверхонь запірних елементів, в новій засувці є можливість домогтися високої якості прецизійних поверхонь запірних керамічних елементів. В результаті цього нова засувка забезпечує стовідсоткову герметичність, зазвичай недосяжну для інших видів засувок. Причому, завдяки властивостям керамічного матеріалу, герметичність зберігається протягом тривалого терміну експлуатації.
· Керамічні запірні елементи мають механізмом самоочищення. При повороті запірних елементів в моменти закриття і відкриття з них автоматично счищаются нарости і відкладення, що утворюються при тривалій експлуатації засувок.
· Керамічні запірні елементи не схильні до дії агресивних середовищ і корозії, а корпус засувки легко захищається антикорозійними покриттями, що в інших типах запірної арматури зробити, як правило, не вдається через наявність деталей, що труться.
· Нова засувка може експлуатуватися не тільки в запірному, але і в регулювальному режимі. Є можливість візуального контролю ступеня відкриття засувки через оглядове вікно або з пульта дистанційного керування.
· Засувка легко оснащується електричним приводом. При цьому не потрібно застосування редукторів з великими передавальними числами, так як закладена в конструкцію засувки червячная пара сама виконує функції редуктора.
· Засувка має порівняно невелику вагу і габарити.
· Засувка не вимагає спеціального обслуговування, не схильна до заклинювання і заїдання. Термін її експлуатації практично не обмежений.
Однак слід зазначити, що не дивлячись на очевидні переваги і простоту конструкції засувок нового покоління, при їх проектуванні і виготовленні виникає ряд питань, які потребують серйозних дослідженнях.
Основні проблеми викликані суттєвою різницею в фізико-механічні властивості кераміки і металу. Сама по собі кераміка, незважаючи на багатовікову історію практичного застосування, є вельми слабоізученной конструкційним матеріалом. Досить вказати, наприклад на сильний вплив масштабного чинника, або звернути увагу на проблему усадки кераміки, яка в процесі сушіння і випалу досягає 40%, що ускладнює виконання необхідних геометричних розмірів виготовлених керамічних деталей.
Наступна проблема - забезпечення високої якості прецизійних поверхонь запірного вузла. Як показав досвід, для забезпечення герметичності засувки прецизійні поверхні керамічних елементів повинні мати клас шорсткості не нижче 14-го і неплощинність не менше 0,5 мкм. Тому керамічні елементи повинні оброблятися на спеціальному прецизійному обладнанні, що виконує високоточну притирання, наприклад, по кривим Лиссажу.
В процесі роботи і неминучого пружного деформування деталей засувок, зазор між прецизійними площинами запірних елементів може змінюватися. При його збільшенні більш 1 мкм засувка втрачає герметичність. Забезпечити таке щільне прилягання запірних дисків один до одного можна шляхом збільшення стискає їх зусилля. Однак надмірна стискаюча сила призводить до небажаного зростанню крутного моменту, необхідного для повороту середнього запірного диска. Застосування ж різних способів механічної і гідравлічної розвантаження, що знижують необхідний крутний момент, знову загрожує небезпекою збільшення зазору між дисками більше допустимої величини і втратою герметичності засувки. Проблема проектування засувок, які відповідають умовам герметичності при мінімальному моменті маховика, вирішується шляхом застосування сучасних високоточних методів комп'ютерного моделювання, заснованих на вирішенні контактних крайових задач теорії пружності.
Далі, слід вказати на підвищені вимоги до самої кераміці. Запірно-регулюючі елементи повинні виготовлятися із спеціальної кераміки, володіє підвищеною твердістю, щільністю, однорідністю і низьким коефіцієнтом тертя.
Таким чином, засувки нового покоління з самого початку орієнтовані на застосування високих технологій і їх проектування пов'язано з рішенням досить широкого кола наукових і інженерно-технічних проблем.
Однак, як показав наш досвід, найголовнішою проблемою засувок нового покоління є їх збут. Справа в тому, що Російський ринок трубопровідної арматури абсолютно не готовий до споживання нових засувок.
Розробкою керамічних засувок наш колектив займається вже більше десяти років. Протягом останніх п'яти років нами було вироблено і реалізовано понад 500 керамічних засувок, що мають умовне прохідний перетин 80 і 100мм, розрахованих на робочий тиск 16кг / см2. Більшість засувок було встановлено в мережах міських комунальних господарств на холодній і гарячій воді. Частина засувок встановили на стоках хімічних виробництв, а також на трубопровідних мережах нафтопереробних підприємств. Чотири засувки випробовувалися в цеху №75 -ПМ »
Узагальнюючи досвід промислової експлуатації нових засувок, можна відзначити наступне. Переважна більшість засувок витримали промислові випробування і продовжують експлуатуватися донині. Відмови засувок відбувалися, головним чином, через порушення правил їх експлуатації. Наприклад, були випадки, коли перед установкою засувок їх піддавали перебиранні і навіть «модернізації». Серед експлуатаційників перебували «умільці», які, розібравши дивовижну засувку і задовольнивши свою цікавість, вносили власні доробки, наприклад, замінювали штатні гумові манжети на більш потужні. Були випадки, коли, закрутивши маховик до відмови, не звертаючи увагу на граничне положення покажчика ступеня закриття засувки, слюсарі підтягували маховик за допомогою важеля, виводячи засувку з ладу.
Однак з найбільшою кількістю парадоксів ми зіткнулися, займаючись маркетингом ринку засувок. Справа в тому, що в Росії дуже добре розвинена система експлуатаційно-ремонтних служб, і таким службам зовсім не потрібні дорогі високоякісні засувки, які не треба ремонтувати і які не потрібно періодично замінювати. Російські екологічні служби, які живуть за рахунок штрафів, стягнутих за забруднення навколишнього середовища. також не зацікавлені в екологічно безпечних засувках, що не допускають витоків і викидів шкідливих хімічних сполук.
У Росії ще не сформувалася масова потреба в регулюванні теплопостачання будівель в опалювальні періоди, не сформувалася потреба в економії та збереженні паливно-енергетичних та інших ресурсів.
Однак реформа житлово-комунального господарства почалася і багато керівників з розумінням ставляться до необхідності переходу на нові наукоємні технології. З'явилися фірми, які, поставивши і випробувавши у себе кілька дослідних зразків нових засувок, продовжують робити замовлення на більші партії. До таких підприємств відноситься Муніципальне унітарне підприємство «ЗАХІД» (м Тюмень), -ПМ »(г. Пермь), (г. Пермь) і ін.