Исследования герметизации уплотнительных соединений трубопроводной арматуры при статических условиях работы Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.646 Погодин Валерий Константинович,

д.т.н., с.н.с. отдела № 17 ОАО «ИркутскНИИхиммаш», тел.: (3952) 41-03-36

Верхозин Николай Андреевич, заместитель заведующего отделом № 17 ОАО «ИркутскНИИхиммаш», тел.: (3952) 41-03-36

Кузнецов Кирилл Анатольевич,

к.т.н., первый заместитель генерального директора ОАО «ИркутскНИИхиммаш», тел.: (3952) 41-06-66

ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ

УСЛОВИЯХ РАБОТЫ

V.K. Pogodin, N.A. Verhozin, K.A. Kuznetsov

RESEARCH OF PIPELINE FITTINGS SEALING COMPOUNDS SEALING IN STATIC CONDITIONS

OF WORK

Аннотация. Рассмотрены результаты экспериментальных исследований конструкций различных уплотнительных соединений, применяемых в трубопроводной арматуре при давлении до 320 МПа. Опытным путем определены контактные давления для обеспечения требуемой герметичности рассматриваемых уплотнительных соединений. Представлены зависимости величины утечки от давления среды и контактных давлений уплотнительных соединений.

Ключевые слова: исследования, герметизация, разъемные соединения, трубопроводная арматура.

Abstract. The results of experimental studies of different sealing compounds structures used in pipe fittings at pressures up to 320 MPa are considered. Contact pressure is empirically defined to ensure the required leak-sealing surface of considered compounds. The dependence of the leakage of media pressure and contact pressures of the sealing compounds is presented.

Keywords: research, germetization, detachable connections, valves.

На основании классификации конструкций разъемных соединений оборудования высокого давления определены конструкции уплотнительных соединений (рис. 1), которые

могут быть применены в трубопроводной арматуре при давлениях среды до 320 МПа.

Для определения правильности выбора и оценки их работоспособности при указанных рабочих параметрах проведены экспериментальные исследования.

Образцы, моделирующие седло 2, и образцы, моделирующие клапан 1, выполнялись из стали 30X13 по ГОСТ 5632-72, имеющей предел текучести от20 ~ 910 МПа.

Для получения требуемой шероховатости уплотнительных поверхностей использовались следующие методы обработки:

- чистовое точение с последующим обкатыванием шариком для получения параметра Ra = 0,16...1,45 мкм;

- чистовое точение с последующим притиранием алмазными пастами АСМ 20/14, АСМ 3/2 до получения параметра Ra = 0,1...0,35 мкм.

В качестве рабочей среды использовался газ - азот при температуре (15 ± 5) °С. Давление среды изменялось в диапазоне

40...320 МПа.

Параметры образцов уплотнительных соединений представлены в табл. 1, 2, 3, 4, 5.

Современные технологии. Механика и машиностроение

Таблица 1

ш

Таблица 5

Вид образца Номер соединения Я, мм В, мм НЯС Яа, мкм

Клапан 1 40 10 42 0,18

2 80 10 41 0,23

3 160 10 43 0,20

Седло 1 2 - - 48 48 0,19 0,19

Таблица 2

Параметры образцов уплотнительного соединения типа II

Вид об- Номер ё, с, Я, а/,град а2, Н

разца Соеди- мм мм мм град. ЯС

нения

1 24,97 19,2 - 87и 20' 50

2 24,95 19,0 - 87° 20' 50

Клапан 3 24,96 19,2 0,7 87° 20' 50

4 24,93 19,0 0,8 87° 20" 50

5 24,96 0 - 87° 20' 50

6 24.94 0 - 87° 20' 50

Седло 1 25,05 - 0,3 - 90 47

2 25,03 - 0,3 - 90 47

Тип образца Номер в, мм Яа, мкм Предварительные исследования герметично-

соеди- а, мм г, мм НЯС сти уплотнительных соединений показали, что

нения значения утечки, контролируемой на всем диапа-

Клапан 1 3.7 9,8 26,0 43 0,26 зоне изменения в модели давления азота от 40 до

2 4,6 9,8 24,5 43 0,08 320 МПа, могут быть получены:

3 4,4 9,8 26,0 44 0,09 - для соединения типа I - при удельном осе-

4 5,0 9,8 22,0 41 0,35 вом усилии q не менее 20 кН/см;

5 5,45 9,9 24,0 44 0,15 - для соединения типа II - при контактных

6 6,5 10,2 22,0 42 0,24 давлениях от 40 до 1000 МПа.

Седло 1...3 4...6 - - - 50 48 0,21 0,18

Таблица 3

Параметры образцов уплотнительного соединения типа

III

Тип образца Номер соединения Я, мм в, мм а, град. НЯС Яа, мкм

Клапан 1 80 10 70 42 1,4

2 105 14 70 42 1,3

3 155 14 70 42 1,2

Седло 1 2 - - 70 70 4 4 00 00 0,2 0,2

Таблица 4

Параметры образцов уплотнительного соединения типа

IV

Вид образца Номер соединения а, мм 6', мм г, мм НЯС а, град. Яа, мкм

1 4,6 10 22 42 70 0,1

Клапан 2 5.2 13 27,5 42 70 0,1

3 5,6 13 27,5 42 70 0,17

4 8,2 13 27,5 42 70 0,13

Седло 1 - - - 48 70 0,19

Тип V

Рис. 1. Схемы исследуемых уплотнительных соединений

- для соединения типа III - при удельном осевом усилии q

не менее 5...10 кН/см; - для соединения типа IV - при контактных давлениях 240...300 МПа

ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения

B. = B

1,i

Rai

Результаты исследования герметичности уп-лотнительного соединения типа I представлены на рис. 2. Из рис. 2а, 2б, 2в следует, что при изменении давления газа - азота в уплотнительном соединении типа I величина утечки В увеличивается на порядок и более, характер ее изменения остается постоянным при разных значениях удельного значения д, а следовательно режим истечения среды через уплотнительный стык сохраняется неизменным. Эти результаты согласуются с результатами исследований уплотнительного соединения «тор - плоскость» [5].

На рис. 2г представлена зависимость величины утечки от радиуса уплотнительной тороидальной поверхности Я. Минимальная утечка среды наблюдается в соединении (седло 2 - клапан 2), имеющем радиус Я, близкий к расчетному значению, полученному с помощью зависимости РД РТМ 0754-45-84 161. Использование этой зависимости предполагает отсутствие пластической деформации в зоне контакта, что подтверждено про-филографическими исследованиями уплотнитель-ных поверхностей клапанов после их нагружения удельными усилиями д = 15...50 кН/см. При повторных нагружениях уплотнительного соединения типа I величина утечки не изменяется, что свидетельствует о неизменности микрозазоров при последующих циклах нагружения постоянным значением осевого усилия д. Этот факт подтвердили профилографические исследования уплотни-тельных поверхностей до и после их нагружения, а также исследования соединений с поверхностями, выполненными с высоким классом шероховатости

[3].

При анализе результатов исследования уп-лотнительного соединения типа II установлено, что при повышении давления среды от 40 до 320 МПа утечка увеличивается на порядок и более (рис. 3). Из этих зависимостей следует, что характер изменения величины утечки В от давления р остается постоянным по той же причине, что и для уплотни-тельного соединения типа I и уплотнительного соединения типа <<плоскость-плоскость>> [7]. Связь между величиной утечки и шириной контакта в уп-лотнительного соединения типа II не просматривается (рис. 4) из-за разных значений шероховатостей уплотнительных поверхностей (табл. 2). Для приведения результатов исследования к равным условиям по шероховатости использованы зависимости [8, 9, 10], согласно которым утечка В пропорциональна третьей степени соотношения высотных характеристик микропрофиля. На основании этого между утечками В/, приведенными к параметру Яа эксперимента № 1, использовалось следующее соотношение:

где Bi, Rai - соответственно утечка и высотная характеристика микропрофиля в рассматриваемом эксперименте.

После соответствующего пересчета утечки получена зависимость, представленная на рис. 5, справедливая в диапазоне изменения параметра а от 3,7 до 6,5 мм (ввиду существенного отличия параметра Ra в экспериментах № 2, 3 их результаты при пересчете не рассматривались). Из рис. 5 следует, что величина утечки с увеличением а несколько уменьшается, что согласуется с результатами, полученными для уплот-нительного соединения «плоскость - плоскость» при ширине контакта свыше 3 мм [7].

в)

г)

Рис. 2. Зависимости величины утечки B в уплотнитель-ных соединениях, типа I от давления газа азота p и погонного усилия q : а - для клапанов с й=40мм: 1 - q = 25 -

2 - q = 30

5 - q = 45-

кН

см кН

см

3 - q = 35

кН

4 - q = 40

см

кН

см

6 - q = 50-

кН

б - для клапанов с

см

й=80мм: 1 - q = 25 —, 2 - q = 30—, 3 - q = 35 —,

см см см

кН кН 4 — q = 40-, 5 — q = 45-; в - для клапанов с

см см

^^кН -„кН кН R=160мм: 1 - q = 25-, 2 - q = 30-, 3 - q = 35-,

см см см

кН кН кН 4 - q = 40-, 5 - q = 45-, 6 - q = 50-; г - при

давлении ср=250 МПа: 1-Я = 40мм , 2-Я = 80мм, 3 - Я = 180мм .

Профилографические исследования уплот-нительных поверхностей, выполненные до и после их нагружения, позволили установить, что после проведения экспериментов № 1, 4, 5 имели место пластические деформации до 15... 18 % от их ис-

см

3

Современные технологии. Механика и машиностроение

ш

ходной высоты шероховатости. Увеличение ширины пояска контакта а не установлено, что может свидетельствовать об упругой работе клапана и седла.

, см3 МПа

2

6 ?

е

(рис. 6а, 6б, 6в). Радиус Я тороидальной поверхности клапана оказывает заметное влияние на величину утечки при погонных контактных нагрузках д < 20 кН/см (рис. 6г). При увеличении радиуса Я с 80 до 160 мм при д в интервале 5...15 кН/см утечка снижается более чем на порядок. При д > 15 кН/см степень снижения утечки в зависимости от величины радиуса Я замедляется, и при д = 25 кН/см влияние радиуса Я на утечку В практически отсутствует.

Рис. 3. Зависимости величины утечки В от давления

газа-азота в уплотнительном соединении типа II: а - для клапана №1: 1 - ст4 = ШМПа, 2 -ак= 80011а ,

3 - ст. = 950МПа, 4 -ст = 1100МПа, 5 - стк = 1200МПа,

'к -

6 -ст = 1350МПа> 7 -ст, = 1600МПа> 8 -ст = 1900МПа;

б - для клапана №2: i -.

№ 3: 1 -стк = 550МПа, 2-at= 700МПа > 3-стк= 900МПа >

41000МПа> 5-ст = 1130МПа> 6-ст4 = 1360МПа> 7 - ст = 1600МПа; г - для клапана №4: i _ CTf = б00МПа,

2 -ст = 700МПа, 3 -ст = 800МПа, 4 - стст = 900МПа, 51000МПа; Д - для клапана №5: 1 -стк = 400МПа, 2-ст = 450МПа, 3-ст = 550МПа> 4-ст = 600МПа>

гйй 400 ЙОТ дао 1000 1200 U00 1600 Qk, МПа б)

Рис. 4. Зависимость величины утечки В от контактного давления для уплотнительного соединения типа II при различных значений ширины контакта: а) для давления газа - азота 40 МПа; б) для давления газа - азота 200 МПа; при ширине контакта: 1-а=3,7 мм; 2-а=4,6 мм; 3-а=4,4 мм; 4-а=5,0 мм; 5-а=5,35 мм; 6-а=6,5 мм

в,

см1 МПа

10

10

; е - для клапана №6:

5 = 700МПа, 6- ст. = 770МПа

4-ст = 850МПа, 5-ст = 950МПа> 6-стк = 1100МПа>

При рассмотрении зависимостей, полученных по средним значениям результатов исследований образцов 1 и 1 , 2 и 2 1,3 и3 (табл. 3) для уплотнительного соединения типа III можно установить, что характер изменения утечки В от давления p при q более 10 кН/см остается таким же, что и для уплотнительных соединений типа I и II

ю

(( \\ К J

) " 11 7 2

. п

0

Рис. 5. Зависимость изменения величины утечки В от ширины контакта (р=40 МПа; ак = 800 МПа): 1 - экспериментальная зависимость;

2 - приведенная зависимость

Из профилографических исследований уп-лотнительных поверхностей клапанов установлено, что пластическая деформация в зоне контакта отсутствует, что противоречит выполненным при-

3 - стк = 1000МПа, 4 -стк = 1100МПа; в - для клапана

1 -стк = 550МПа> 2-стг = 650МПа> 3-стк = 750МПа

7 -ст = 1300МПа

ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения

ближенным расчетам для случая контакта «цилиндр - плоскость» [4], в результате которых при значениях д = 5...30 кН/см максимальные значения напряжений в зоне контакта могли превышать предел текучести материала клапана в 2...3 раза. Также установлено, что микронеровности уплот-нительных поверхностей седла имели пластические деформации. Величина остаточной деформации микронеровности составляла от 25 до 52 % относительно исходных значений шероховатости.

в) г)

Рис. 6. Зависимости величины утечки В от давления газа-азота в уплотнительном соединении типа (II) р и погонного усилия д:

а - для клапана с К=80мм: 1 - д = 5 к^., 2 - д = 10 ^^ >

см см

, - кН я г ^гкН , -,пкН .

3 - д = 15-' 4 - д = 20-> 5 - д = 25-> 6 - д = 30-;

см см см см

б - для клапана с К=105мм: : = , 2-д = 10-^ >

3 - д = 15кН , 4 - д = 20^, 5 - д = 25 —; в - для клапа-

см см см

.кН,

см

на с К=155мм:

типа V (табл. 5) от давления газа азота р при различных значениях удельных нагрузок представлены на рис. 9. Характер изменения утечки в этих зависимостях отличается от ранее полученных для других типов уплотнительных соединений. Эти отличия, очевидно, обусловлены конструктивной особенностью уплотнительных соединений типа V, а также наличием центрального отверстия ё.

в)

г)

1 ^КН , о ^кН , о л с кН , 1 - д = 5-' 2 - д = 10-' 3 - д = 15-'

см см см

4-^ = 20—; г - при давлении р=250 МПа: 1 - Я = 80мм,

см

2 - Я = 105мм, 3 - Я = 155мм

Зависимости величины утечки В в уплотни-тельных соединениях типа IV (табл. 4) от давления газа-азота при различных значениях контактных давлений ок представлены на рис. 7. Изменение ширины пояска контакта в диапазоне от 4,6 мм до 8,2 мм не оказывает существенного влияния на герметичность (рис. 8).

Профилографические исследования уплот-нительных поверхностей до и после их нагруже-ния установили отсутствие пластических деформаций. Изменение ширины контакта а также отсутствовало.

Результаты рассмотрения зависимостей величины утечки В в уплотнительном соединении

Рис. 7. Зависимости величины утечки В от давления газа-азота р в уплотнительном соединении типа IV при различных значениях давления стк: а - эксперимент 1:

4 - ст, = 750МПа> 5 - стк = 900МПа ; б - эксперимент 2: 1 -ст4 = 250МПа> 2-стг = 400МПа, 3-стк = 520МПа, 4 - ак = 650МПа, 5 - ак = 790МПа, 6 - стк = 917МПа; в - эксперимент 3:!250МПа, 2 - стк = 350МПа, 3 - стк = 480МПа; г - эксперимент 4: 1 -170МПа> 2-ст,= 250МПа> 3-ст4 = 330МПа > 4-стг = 410МПа > 5 - ст4 = 500МПа > 6 - ст = 580МПа

Лучшей герметизирующей способностью обладают уплотнительные соединения типа V, имеющие центральное отверстие. Минимальная утечка среды наблюдается у соединений № 3, 4, профиль зоны контакта которых был выполнен по радиусу Я [2]. Наличие этой конструктивной особенности делает эту конструкцию более технологичной, чем другие конструкции уплотнительного соединения типа V. Профилографические исследования этого уплотнительного соединения показали в зоне контакта седла наличие пластических деформаций, в результате которых его профиль приобретает профиль сопрягаемого с ним клапана.

1 -ст = 300МПа > 2 - ст = 450МПа> 3 -ст4 = 600МПа

см

см

в.

см3 МП а с см

ю

ю".

ю.

ю,

В,

ю

10

10

10

Ю,

3 4

-1 ____□ п

\

200 300 4 00 500 600 700 800 900 (¡к, МПа

а)

см ■ МПа с см

! П ■V

X*

\т

□

200 4 00 600 800

1000 1200 1400 1600 (у к, б)

МПа

Рис. 8. Зависимость величины утечки В уплотнительных соединений типа IV от контактного

давления ак при значениях ширины контакта: ▼ - а=4,6 мм; □- а=5,2 мм; о- а=56 мм; А - а=8,2 мм а) для давления р = 40 МПа; б) для давления р = 200 МПа

Величина радиальной остаточной деформации не превышает 60...70 % от исходной величины радиального зазора между деталями соединения, что не препятствует размыканию их при разборке. Проведенные исследования позволили установить, что разные типы уплотнительных соединений для обеспечения требуемой герметичности требуют различных значений осевого усилия герметизации д (рис. 10).

По степени возрастания необходимого значения д для обеспечения заданной величины утечки В для статических условий работы типы уплот-нительных соединений располагаются следующим образом: V, III, IV, I, II.

При конструировании трубопроводной арматуры с учетом мощности привода уплотнительным соединениям с линейным контактом (типы I, III, V) следует отдавать предпочтение перед уплотнитель-ными соединениями с контактом по поверхности шириной а (типы II, IV), а уплотнительным соединениям с коническими поверхностями (типы III, IV) следует отдавать предпочтение перед соединениями с плоскими поверхностями (типы I, II).

в)

Рис. 9. Зависимости величины утечки В уплотнительного соединения V от давления среды газа-азота при удельных нагрузках д:

1 - д = 5 кН, 2 - д = 10 кН. 3 - д = 15 кН, 4 - д = 20 кК.

см см см см

а - клапаны 1,2; б - клапаны 3,4; в - клапаны 5,6

Рис. 10. Зависимость изменения утечки В от удельного осевого усилия q при давлении среды газа - азота р=250 МПа для различных типов уплотнительных соединений: 1 - тип I; 2 - тип II; 3 - тип III;

4 - тип IV; 5 - тип V

Выводы

При повышении давления среды от 40 до 320 МПа утечка во всех исследуемых соединениях увеличивается на порядок и более.

Ширина пояска контакта и радиус тороидальной уплотнительной поверхности (в исследованном диапазоне их изменения для типов Г..ГУ) не оказывает существенного влияния на герметичность.

С увеличением контактных нагрузок (в исследованном диапазоне их изменения для типов

ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения

I...IV) характер изменения утечки от давления не изменяется.

Уплотнительным соединениям с контактом по линии следует отдавать предпочтение перед соединениями с контактом по поверхности, а с коническими поверхностями - перед соединениями с плоскими поверхностями.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Погодин В.К. Разъемные соединения и герметизация в оборудовании высокого давления. Иркутск : Иркутск-НИИхиммаш, 2001. - 405 с.

Древин А.К., Погодин В.К. Влияние методов обработки поверхностей контакта на работоспособность уплотнительного соединения // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1989, - №4 - С. 2-5. Погодин В.К., Лившиц В.И., Древин А.К. Экспериментальное исследование условий герметизации для уплотнительного соединения «тор - плоскость». -«Машиноведение». - 1974, - №1 - С.91-95. РД РТМ 0754-45-84. Трубопроводная арматура на давление до 350 МПа. Затворы. Конструкция и размеры.

Лемберский В.Б., Фишкин Р.В. Расчет величины утечки через неподвижные соединения // Химическое и нефтяное машиностроение. 1977. - №4. -С. 10-11.

УДК 621.3113 .31 Лукьянов Анатолий Валерьянович,

д.т.н., профессор кафедры ТМиП, ИрГУПС, e-mail: loukian@inbox.ru

Романовский Александр Игоревич, ассистент кафедры ЭПС, ИрГУПС, тел.: (3952)673650 Лукьянов Дмитрий Анатольевич,

зав. лабораторией кафедры ТМиП, ИрГУПС, e-mail: loukian@live.ru

ДИНАМИКА АСИНХРОННОГО ПРИВОДА ПРИ НЕСИММЕТРИИ ТОКА В ФАЗАХ

A.V. Lukyanov, A.I. Romanovsky, D.A. Lukyanov

DYNAMICS OF INDUCTION MOTOR DRIVE WITH

UNBALANCED SUPPLY CURRENT IN THE PHASES

Аннотация. Рассмотрены динамические характеристики асинхронного электропривода вспомогательных машин электровозов при несимметрии питающего фазного тока. Проведено численное и экспериментальное моделирование механических колебаний привода, выявлены зависимости уровня вибраций в различных направлениях от степени несимметрии фазного тока в обмотках статора.

Ключевые слова: вибрация асинхронного привода, несимметрия питающего тока в фазах; вибродиагностика несимметрии питающего тока.

Abstract. This paper discusses the dynamical characteristics of the asynchronous auxiliary machines of electric locomotives with unbalanced phase supply current, conducted numerical and experimental simulation of mechanical vibrations of drive, and identified dependenceof the level of vibration in different directions on the degree of asymmetry ofphase currents in the stator windings.

Keywords: vibration of asynchronous drive, unbalanced supply current in the phases; vibration monitoring of unbalanced supply current.

В реальных условиях эксплуатации асинхронного привода часто его отдельные фазы нагружены несимметрично (неравномерное распределение нагрузки по фазам, подключение мощных однофазных приемников и т. д.). Кроме того, в электрических сетях случаются несимметричные короткие замыкания (однофазные на землю или на нулевой провод) или обрывы фаз.

Электромагнитные силы, действующие в воздушном зазоре между статором и ротором асинхронных электродвигателей, имеют характер вращающихся или пульсирующих силовых волн. Вызываемая электромагнитными силами вибрация во многом зависит от характеристик статора как колебательной системы. Наибольшую интенсивность имеет вибрация, возбуждаемая основной волной вращающегося магнитного поля. Частота этой вибрации равна удвоенной частоте питающей се-