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.

Для уменьшения проблем, связанных с выдавливанием седел вводят специальные элементы (протекторы) и оставляют достаточно большие полости для возможности накопления деформации седлом, благодаря чему выдавливания материала в зазор с рабочим органом арматуры происходить не должно, рис. 3.6.





Рис. 3.6. Схема расположения уплотнительного кольцевого седла (а-д) и протектора (е) в канавке при увеличении давления среды (приведены данные по круглым кольцевым эластомерным уплотнениям)


В тоже время важной частью задач по обеспечению герметичности является создание герметичного контакта сразу в обоих направлениях. Так, стандарт ANSI B16.34 трактует это так:

П. 2.3.3 тепловое расширение жидкости

“При определенных условиях некоторые конструкции двухседельных клапанов способны одновременно герметизировать перепад давления из центральной полости в соседнюю трубу в обоих направлениях.

Обстоятельство, при котором центральная полость заполнена, или частично заполненная жидкостью и подвергнутая воздействию повышенной температуры и которое может привести к чрезмерному нарастанию давления в центральной полости, приводящему к нарушению границы давления … там, где такое условие возможно, ответственность за обеспечение или требование о предоставлении средств в конструкции, установке или процедуре эксплуатации для обеспечения того, чтобы давление в клапане не превышало давления, разрешенного настоящим стандартом для достигнутой температуры, лежит на (покупателе).”