CC BY
17
УДК 621.646.986
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-412-417
НЕФТЕГАЗОВОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ: ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАДВИЖКИ ШИБЕРНОЙ
С.В. Никитин, Ю.А. Темпель, М.А. Осипов, Д.Е. Писарев
Нефтегазовое машиностроение - важная подотрасль машиностроения, от эффективности и результативности которой зависит обеспеченность нефтегазовой отрасли качественными устройствами и средствами, позволяющими организовать бесперебойную работу добычи и реализации нефтяных продуктов. Для целей проектирования и моделирования изделий нефтегазового машиностроения, среди которых виды и типы арматур различного функционального назначения, используемые на магистральных нефтепроводах, применяются системы автоматизированного проектирования, которые уменьшают время на техническую подготовку производства. Выявленная проблема запорной арматуры при эксплуатации включает в себя протечки на трубопроводах при нарушении герметичности затвора и отказ арматуры при эксплуатации. В связи с выше сказанным, тема является актуальной. Цель работы заключается в исследовании возможных вариантов конструкций задвижек и моделировании конструкции, исключающей недостатки имеющихся аналогов и обеспечивающей надежность и работоспособное состояние при эксплуатации. Методами и средства исследования являются методы анализа, моделирования, теоретические основы технологии машиностроения, CAD/CAM/CAE система. В статье представлены результаты работы, направленные на реализацию разработки усовершенствованной конструкции задвижки шиберной, обеспечивающей по сравнению с прототипами высокую надежность приводного механизма и достижение оптимальной технологичности изделия.
Ключевые слова: нефтегазовое машиностроение, компьютерное моделирование, задвижка шиберная, надежность изделий машиностроения, проектирование.
Трубопроводная арматура - важная составляющая при перекрытии рабочей среды, которая протекает по нефтетрубопроводу. На магистральных нефтепроводах применение нашли виды и типы арматуры различного функционального предназначения в диапазоне давлений рабочей среды до 12,5 Мпа и диаметром до 1200 мм. При реализации целей н ефтегазового машиностроения, в рамках рассматриваемых изделий стоит задача повышения надежности и работоспособности запорной арматуры, поскольку из-за нарушения герметичности происходит до 50 процентов отказов при эксплуатации [1]. Запас надежности данных изделий закладывается на этапе проектирования, что также вызывает затруднения при разработке конструкций.
В связи с выше представленным, тема исследования актуальна.
В данной работе представлены результаты компьютерного моделирования усовершенствованной конструкции шиберной задвижки.
Материал и методы исследования. В исследовании применялись методы анализа, моделирования, теоретические основы технологии машиностроения, CAD/CAM/CAE система Autodesk Inventor.
Результаты исследования и их обсуждения. Основной отличительный признак задвижек - исполнение запорного органа. По данному признаку в соответствии с изучением научных источников [1-6] и патентного поиска задвижки классифицируют на клиновые, параллельные, шиберные и шланговые имеют свои недостатки и преимущества. Схема классификации представлена на рис. 1.
При повороте маховика клиновой затвор плавно опускается в седло и упирается своими плоскостями на седельные кольца. Так как соприкасающиеся поверхности плотно подогнаны друг к другу, место их контакта надежно герметизируется и перекрывает поток подаваемой среды.
Иной принцип работы имеют дисковые задвижки. Затвор перекрывает трубопровод поворотом диска. Это происходит путем поворота диска на 90 градусов вокруг своей оси.
Затвор шиберной задвижки имеет вид плиты или острой ножевой пластины, способной перемещаться из верхнего положения в нижнее. Принимая закрытое положение, шибер отсекает потоки рабочих сред.
Конструкция шланговой задвижки имеет гибкий патрубок, расположенный внутри ее корпуса и перекрытие потока происходит за счет сдавливание патрубка, что физически препятствует дальнейшему движению среды.
В соответствии с производственным опытом шиберные задвижки составляют значительную часть ассортимента трубопроводной арматуры. В классическом исполнении шиберной задвижки существует несколько существенных недостатков, среди которых значительное усилие при повороте маховика и затрачиваемое время на открытие или закрытие. Актуальной проблемой является разработка конструкции задвижки, простой по конструкции и надежной в работе, а также более эффективной при реализации обслуживания и ремонте.
Основная цель при проектировании нового типа шиберной задвижки - разработка приводного механизма с устраненными в нем недостатками существующих на данный момент конструкций шиберных задвижек. Перевод задвижки из открытого положения в закрытое должен проводиться за одно движение, а прилагаемое усилие не должно превышать 45 кгс. Именно такое значение усилия устанавливает стандарт ГОСТ 21752-76.
Среди запатентованных конструкций шиберных задвижек находились такие варианты, шибер которых представлял собой диск. Для перекрытия потока шибер в таких конструкциях должен совершать не поступательное, а вращательное движение. Это позволяет устранить временные затраты на перекрытие потока, поскольку для поступательного движения шибера используется винтовая пара, скорость которой достаточно ограничена. В том случае, когда шибер представляет собой диск, достаточно разработать кинематическую схему механизма таким образом, чтобы перекрытие задвижки осуществлялось за один поворот маховика или ключа.
Анализ запатентованных конструкций показал, что подавляющее большинство конструкций приводных механизмов задвижек с дисковым шибером используют зубчатые передачи. Такое решение малоэффективно ввиду его быстрого износа, низкой технологичности и перевода задвижки из закрытого положения в открытое более, чем за один оборот ключа. Применение рычажных механизмов вместо зубчатых позволило бы устранить недостатки конструкций задвижек с дисковым шибером, сделать их более надежными и технологичными.
к.псснфикацня задвнэкск
Клннпвыс
Дисков ые
Шиберные
Шланговые
X
VI
Запорный орган - клин перемещается и? верхнего положения в нижнее. При перемещении клина а нижнее положение поток перекрывается
Запорный орг ан - диск
имеет возможность поворота вокруг своей оси. В закрытом положении диск расположен перпендикулярно потоку
Запорный орган - шибер представляет собой пластину, перемещающуюся внутри корпуса и перекрывающую поток.
г5щгзн I
Перекрытие потока [ гроисходит путем пережимакия шланг?, расположенного внутри корпуса задвижки
Недостатки
1. Большие габариты I. Максимальное дав- I, Большой расход тер- I ■ Значительные габари-
2. бремен мыс иф.ны на открытие или на закрытие
3. Нююа ншисоустой-
ленне в трубопроводе
1.«МПа
2. Невозможность использования в средах с кристаллическими отложениями
3. Для диаметров более 150 мм необходима установка редуктора
гни на открытие нт-за трения шибера об уплотнители
2. Значительный износ уплотни Iельных поверхностей
ты задвижки 2. Малый срок службы из-за быстрого износа патрубка
Ученые - исследователи
1. Уфнмцен В.А.
2. Гурьянов Л,В.
3. Карелии И.Н.
4. Дашуннн Н.В.
1. Гсльфснбуйм И. В.
2. Яслипкий Л.И.
3. Бонов В. Г.
4. Турдако» ИД
1. Глусккн М.С.
2. Грешняев В.А.
3. Костей ко И.Ф-
4. Николаев А.М.
1, Потемкина Т.Г.
2. Нейман Г И.
3, Орехов О.И.
4. Долгачев ИЛ Г.
Рис. 1. Классификация задвижек
Предложенная конструкция шиберной задвижки использует четырехзвенный шарнирный кривошипно-коромысловый механизм. Кинематический анализ механизма показал, что его применение в приводном механизме задвижки позволит проворачивать шибер менее, чем за один оборот кривошипа. Изменение типа механизма с зубчатого на рычажный позволяет решить проблему с временными потерями на открытие задвижки.
Общий вид задвижки представлен на рис. 2.
Рис. 2. Общий вид задвижки
Корпус изделия состоит из двух полукорпусов с фланцами, служащих для закрепления задвижки на месте установки, промежуточного фланца, расположенного между ними, а также ключа, служащего для перевода задвижки из открытого положения в закрытое.
Предложенный механизм задвижки состоит из шибера, приводного вала, тяги и осей, соединяющих шибер и вал друг с другом. 3D-модель устройство приводного механизма представлена на рис. 3.
Рис. 3. Устройство приводного механизма
За неподвижные стойки в данном механизме принимаются ось приводного вала и ось шибера. Конструкция приводного вала представляет собой кривошип, приводимый во вращение ключом задвижки. Приводной вал соединен с тягой, выполняющей функцию коромысла. Образуя с приводным валом вращательную кинематическую пару, при повороте приводного вала она совершает сложное плоскопараллельное движение, приводя в движение шибер. Под действием тяги шибер совершает неполное вращательное движение, выполняя в механизме роль шатуна. При повороте шибер перекрывает канал задвижки, что приводит к остановке движения потока среды и наоборот. Для возобновления движения потока в шибере предусмотрено отверстие. Моделирование принципа работы приводного механизма представлено на рис. 4.
Рис. 4. Принцип работы приводного механизма
414
Трехмерная сборка механизма показала, что перекрытие потока происходит при повороте рукоятки на 180 градусов. Это существенно снижает затрачиваемое время на перевод запорной арматуры из открытого состояния в закрытое.
Несмотря на очевидное преимущество применение рычажного механизма вместо зубчатого, недостатком такого решения является повышенное требование как к точности изготовления деталей, так и к соосности в расположении осей и опор механизма. Соосность осей обеспечивается не только при изготовлении деталей задвижки, но и во время ее сборки. После размещения деталей механизма, две половины корпуса и промежуточный фланец, расположенный между ними, соединяются при помощи двух штифтов, после чего корпус задвижки скрепляется болтовым соединением. Такое решение позволяет избежать смещения половин корпуса во время установки болтов, а как следствие - устранить заедание механизма на собранном изделии. Установка штифтов представлена в 3D-модели на рис. 5.
'■ Штифты
Рис. 5. Установка штифтов
Рабочей средой изделия являются: вода, нефть, газ и другие. Направление потока рабочей среды не имеет значение, герметичность перекрытия обеспечивается при любом варианте установки задвижки.
Выводы. По результатам выполненного исследования можно сделать следующие выводы:
1) выполнен анализ классификации задвижек и авторов, занимающихся совершенствованием, разработкой новых конструкций задвижек в рамках выделенной квалификации. Выявлены недостатки имеющихся конструктивно-технических решений в рамках объекта исследования;
2) установлено, что предлагаемая конструкция шиберной задвижки имеет ряд отличительных преимуществ, среди которых: перевод задвижки из открытого состояния в закрытое за одно движение поворотом ключа на 180 градусов, высокая надежность приводного механизма, достижение оптимальной технологичности изделия;
3) смоделирована с использованием системы автоматизированного проектирования Autodesk Inventor конструкция усовершенствованной задвижки шиберной.
Список литературы
1. Степаненко М.В., Пикалов Ю.А. Анализ мероприятий по повышению эксплуатационных характеристик запорной трубопроводной арматуры // Качество продукции: контроль, управление, повышение, планирование, 2017. Том1. С. 274-278.
2. Карелин И.Н., Седых В.Д., Агеева В.Н. Инновационно-технические решения для нефтегазовых трубопроводных устройств // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2020. Том 2(116). С. 84-91.
3. Степаненко М.В., Пикалов Ю.А. Испытания трубопроводной арматуры // Управление качеством на этапах жизненного цикла технических и технологических систем. 2019. Том 2, УК-11 I. С. 197-199.
4. Миргородский С.И., Серая Н.В., Денисова О.К. Совершенствование технологического процесса изготовления и повышения износостойкости запорной арматуры нефтегазовой отрасли // Вестник Восточно-казахстанского государственного технического университета им. Д. Серикбаева. 2018. №4. С. 151-157.
5. Карелин И.Н., Чернова Т.А. Проектирование газонефтяной арматуры повышенной долговечности // Вестник Машиностроения. 2019. №9. С. 3-9.
6. Набоков К.В. Технология ремонта и монтажа шиберной задвижки на нефтепровод // Вестник современных исследований. 2018. №12.10 (27). С. 296-298.
Никитин Сергей Викторович, старший преподаватель, Nikitinsv@,tyuiu.ru, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,
Темпель Юлия Александровна, канд. техн. наук, доцент, Tempeliulia@mail.ru, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,
Осипов Максим Алексеевич, обучающийся, maksimosipov715@gmail.com, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,
Писарев Дмитрий Евгеньевич, обучающийся, pisarevde@tyuiu. ru, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет
OIL AND GAS ENGINEERING: DESIGN AND MODELING OF GATE VALVE S.V. Nikitin, Yu.A. Tempel, M.A. Osipov, D.E. Pisarev
Oil and gas engineering is an important sub-sector of engineering, the efficiency and effectiveness of which determines the provision of the oil and gas industry with high-quality devices and means that allow organizing the smooth operation of the production and sale of petroleum products. For the purposes of designing and modeling oil and gas engineering products, including types and types off fittings ^ for various _ functional purposes used on trunk oil pipelines, computer-aided design systems are used that reduce the time _ for technical preparation of production. The identified problem of shut-off valves during operation includes leaks in pipelines in case of leakage of the valve and valve failure during operation. In connection with the above, the topic is relevant. The purpose of the work is to study possible design options for gate valves and to model a design that eliminates the disadvantages of existing analogues and ensures reliability and operability during operation. Research methods and tools are methods of analysis, modeling, theoretical foundations of mechanical engineering technology, CAD / CAM / CAE system. The article presents the results of the work aimed at implementing the development of an improved design of the sliding gate valve, which provides, in comparison with prototypes, high reliability of the drive mechanism and the achievement of optimal manu-facturability of the product.
Key words: oil and gas engineering, computer modeling, gate valve, reliability of engineering products, design.
Nikitin Sergey Viktorovich, senior lecturer, Nikitinsv@tyuiu.ru, Russia, Tyumen, Tyumen Industrial University,
Tempel Yulia Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, tempeliulia@mail.ru, Russia, Tyumen, Tyumen Industrial University,
Osipov Maxim Alekseevich, student, maksimosipov715@gmail. com, Russia, Tyumen, Tyumen Industrial University,
Pisarev Dmitry Evgenievich, student, pisarevde@tyuiu. ru, Russia, Tyumen, Tyumen Industrial University
