Полимерные седла поворотной арматуры. Современные подходы к выбору и изготовлению

Горобченко Станислав Львович

Седла X-TREME имеют широкое применение. Этот фторопласт с наполнителем инженерного класса работает при температурах до 260⁰С при существенно более высоких давлениях по сравнению с наполненным PTFE. Он не имеет остаточной деформации и эффекта возврата при термоциклировании и пульсациях давления, хорошо подходит для работы с паром, горячими газами, теплоносителями и применим во множестве разнообразных химических процессах и средах.

Основной принцип выбора седела арматуры заключается в нахождении такого соотношения давления и температуры, при которых седло способ надежно работать. Эти оценки основаны на перепаде давления с шаровой пробкой клапана в полностью закрытом положении и относятся только к седлам. Компания обозначает классы давления (по соотношению давления и температуры) в соответствии с принятыми классами давления для корпусов арматуры в зависимости от используемых

в них материалах. Кривые по классу давления для седел из различных материалов для шаровых кранов компании Jamesbury приведены ниже, рис.1.

а)

б)

в)

Рис. 1. Пример расчета класса давления для материалов седел шарового крана диам. 8-50мм серии Value line (Jamesbury)

а) Т – PTFE и M – filled PTFE; б) X-treme, T-PTFE, R-Delrin; в) X-treme, T-PTFE, R-Delrin, U-UHMW Polyethylene

Одновременно компания предусматривает, какие значения момента должны быть использованы для конкретных видов седел в зависимости от используемого в них материала, см. пример на рис.2.

Рис.2. Рекомендуемые поворотные моменты привода в зависимости от типа седел и диаметра арматуры (компания Jamesbury)

Раздел 3. Современные конструктивные решения седел арматуры

3.1. Основные подходы к разработке седел

На сегодня седло в клапане массового производства – это почти единственный способ дифференцировать арматурную продукцию. Стандарты, производственные соглашения и глобальный характер арматурного бизнеса привели к тому, что конкурирующие виды арматуры выглядят и работают таким образом, что практически не отличаются друг от друга. Таким образом, качество и конструктивные особенности седел становится тем самым конкурирующим элементом, который наравне с пробкой, определяют конкурентоспособность арматуры в целом. Задача состоит в том, чтобы обеспечить такое поведение седла, чтобы оно было наиболее функционально для выполняемой задачи. Инженерия затвора, формы седла и материала состоит в том, чтобы заставить эту комбинацию работать наиболее надежно.

В качестве примера берется известная компания Jamesbury. Она специализируется на производстве запорной арматуры и уделяет значительное внимание развитию седел арматуры. В частности, она известна одним из самых сильных решений в области производства полимерных седел – Flexible Lips – конструкциями седел, способных облегать шаровую пробку наподобие губ, рис.3.1.

Рис. 3.1. Конструкция и схема работы седла типа Flexible lips

Как можно видеть из рис. 3.1. седло имеет опорную (heel) и гибкую (flexure) зоны, способные перемещаться под воздействием движения шаровой пробки. При этом перемещение идет в сторону сопряжения седла с посадочным буртом корпуса, что увеличивает плотность соединения. Участок седла (flexible lips)

при этом плотно охватывает саму шаровую пробку, как показано на рис. Б. Движение шаровой пробки происходит с оттяжкой губ седла до тех пор, пока она плотно не сядет на опорную поверхность седла, при этом между губами и зоной уплотнения возникает дополнительное прижатие, обеспечивающее дополнительную защиту. Вместе опорная зона и губы седла работают как двойной элемент создания герметичности.

Примерно также работает и седло для создания герметичных уплотнений в дисковых затворах, при этом моделирование в ANSYS показывает высокую степень контакта между седлом и диском, что свидетельствует о высокой герметичности контакта, рис. 3.2.

а)

б)

Рис. 3.2. Седло типа Flexible lips для работы в дисковых затворах арматуры.

а) схема установки седла

б) расчет контакта уплотнения в ANSYS

Важными элементами седел являются материалы. В зависимости от используемых материалов, могут быть получены наиболее высокие доступные свойства, в частности, термопрочность, рис.3.3.

Рис.3.3. Термопрочность материалов при различных температурах.

К сожалению, необходимо отметить, что достижение высокой термопрочности и термостойкости достигается за счет применения дорогих материалов, для них требуется выдерживать точные режимы и обеспечивать дополнительную термическую обработку для получения структуры по соотношению кристаллической и аморфной составляющих структуры с максимальными свойствами.

При использовании обычных типов уплотнений без участков Flexible lips приходится усиливать давление, что приближает материал к хоне холодной текучести, уменьшает возможное количество выдерживаемых циклов нагружения по давлению и термоциклов, не дает возможности перераспределить напряжения и не допускает разгрузки материала через конструкцию седла.

Пример такого седла показан на рис.3.4.

Рис. 3.4. Потеря давления в контакте между пробкой и седлом в результате холодной текучести материала седла.

Результатом "раздавливания" седла в результате избыточного давления или собственной механодеструкции является выдавливание материала седла в полости, подлежащие герметизации и разрушение седла, рис.3.5.

Рис. 3.5. Деформированное кольцо круглого сечения

а) схема действия сил; б) картина изохром; в) поврежденное кольцо.

Остановимся на этом явлении подробнее. Разрушение кольца при высоком давлении происходит вследствие выдавливание его в зазор неуравновешенной силой Р и повреждения его поверхности в месте контакта с острой или зазубренной кромкой (М). На рис. 3.5.б показана картина изохром, свидетельствующая о распределении напряжений в деформированном кольце (изохрома – линия одинаковых разностей главных напряжений). В связи эффектом выдавливания эластичного полимер у кромки должен быть рассчитанный радиус закругления. Если радиус острый, то она будет резать полимер подобно рожу. Чрезмерно большой радиус создает клиновой эффект, в результате которого снижается эффективность герметизации. Наиболее тяжелым режимом нагружения является низкочастотная пульсация давления, при котором кольцо претерпевает все фазы деформации. Характер повреждения кольца при его выдавливании в зазор показан на рис 3.5.в. Таким образом, необходимо учитывать в реальных трубопроводах не только статическую нагрузку, но и количество циклом, при которых седло еще не разрушается. Это количество циклов называют цикловой долговечностью. Оно зависит от амплитуды пульсация давления и характера нарастания давления, а также количества циклов и предела усталости материала.