CC BY
61
УДК 621.644
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-5-37-44
ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ И РЕСУРСА ЗАПОРНОГО УЗЛА КЛАПАНОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ
© С.А. Зайдес1, А. Н. Машуков2, А.Д. Татаринов3
1 2 3Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
2 3ОАО «ИркутскНИИхиммаш»,
664074, Россия, Иркутск, ул. Академика Курчатова, 3.
При анализе напряженного состояния элементов арматуры высокого давления проводится оценка механических свойств металла нагруженных элементов арматуры в соответствии с требованиями нормативно-технических документов. Для определения механических свойств из исследуемых элементов должны вырезаться пробы металла и проводиться испытания, приводящие к разрушению испытываемых изделий. Также проектный ресурс арматуры, закладываемый конструктором, должен подтверждаться расчетом исходя из полученных фактических характеристик материала. В данной статье освещаются методы, позволяющие оценить прочностные характеристики и ресурс высоконагруженных частей арматуры высокого давления без проведения разрушающих испытаний материала.
Ключевые слова: наплавка седла клапана, клапан высокого давления, напряженное состояние, твердость, прочностные характеристики, предел прочности, предел текучести.
ESTIMATION OF HIGH-PRESSURE VALVE ISOLATION STATION DURABILITY AND RESOURCE BY HARDNESS
MEASUREMENT RESULTS
S.A. Zaydes, A.N. Mashukov, A.D. Tatarinov
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia. "IrkutskNIIhimmash" JSC,
3 Akademika Kurchatova St., Irkutsk, 664074, Russia.
When analyzing the stress state of the elements of high pressure valves the mechanical properties of the metal of loaded valve elements is carried out in accordance with the requirements of technical standards. In order to determine mechanical properties the samples of metal are to be cut out from the parts under examination and tests are to be carried. The former causes the destruction of the tested product. What is more, the design resource of valves specified by a designer has to be confirmed by the calculation based on the obtained actual characteristics of material. This article deals with the methods allowing to estimate the strength characteristics and the resource of the high-loaded parts of high pressure valves without any tests destroying the material.
Keywords: valve seat overlay, high-pressure valve, stress state, hardness, strength properties, ultimate strength, yield strength
Введение
Запорная арматура высокого давления химических и нефтегазовых производств является сложным и ответственным изделием, от технического состояния которого напрямую зависит промышленная и экологическая безопасность предприятия. Клапаны высокого давления используются
на трубопроводах опасных производственных объектов в качестве запорного устройства для перекрытия потока жидких и газообразных химических сред и нефтепродуктов с рабочим давлением до 32,0 МПа и температурой до 400°С. Конструкция клапана в сборе представлена на рис. 1.
1
Зайдес Семен Азикович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машиностроительных технологий и материалов, e-mail: zsa@istu.edu
Zaydes Semen, Doctor of Engineering sciences, Professor, Head of the Department of Engineering Technologies and Materials, e-mail: zsa@istu.edu
2 Машуков Артем Николаевич, магистрант, e-mail: a.mashukov@himmash.irk.ru Mashukov Artem, Master's degree student, e-mail: а.mashukov@himmash.irk.ru
3Татаринов Алексей Дмитриевич, магистрант, e-mail: a.tatarinov@himmash.irk.ru Tatarinov Aleksei, Master's degree student, e-mail: a.tatarinov@himmash.irk.ru
4
I
?
л
л
А I
Рис. 1. Клапан запорный DN40 PN320: 1 - фонарь; 2 - шток; 3 - корпус с патрубком в сборе; 4 - шпиндель Fig. 1. DN40 PN320 shut-off valve: 1 - light; 2 - a valve rod; 3 - a casing and a branch pipe in assembly; 4 - a stem
Одним из самых слабых мест в конструкции клапана является участок соединения патрубка и штока (рис. 2) [5]. Первая партия патрубков, изготовленных без применения наплавок, после работы на химическом заводе ОАО «АНХК» была выбракована из-за растворения седел входных патрубков (применялись стали: 09Г2С, 40Х, 20Х13, 30ХМА). Осмотр отработавших клапанов показал локальную эрозию, абразивный износ запорной части патрубков, механическое повреждение уплотнительных поверхностей патрубка из-за наличия абразивных твердых частиц в рабочей среде.
Анализ дефектов деталей запорной трубопроводной арматуры показал, что, например, на Ангарском нефтеперерабатывающем заводе (НПЗ ОАО «АНХК») около 80% всех дефектов связано с коррозией уплотнительных поверхностей и 10-15% дефектов возникает по причине механического износа. На ТЭЦ Иркутского авиационного завода почти 90% повреждений уплотнительных поверхностей затворов происходит по причине механического из-
носа и около 3% - за счет коррозионных процессов [1].
Внутренняя герметичность запорной арматуры оценивается по величине накопленных утечек, прошедших через уплотнение затвора в единицу времени. В большинстве случаев утечки среды через детали и узлы не допускаются, так как эти показатели наряду с герметичностью определяют безопасность эксплуатации трубопроводной арматуры [1].
Таким образом, работоспособность и износостойкость седла патрубка клапана является величиной, определяющей долговечность и проектный ресурс клапана высокого давления в целом.
Целью данной работы является подтверждение высоких прочностных характеристик седел клапанов высокого давления, подверженных влиянию коррозион-но-эрозионного износа, и оценка их ресурса по результатам определения твердости.
Требования к наплавкам
Для увеличения долговечности и прочности данного участка патрубка было
принято решение усилить существующий патрубок наплавкой EnDOtec D0*04, имеющей высокие прочностные характеристики и стойкость против коррозии [2]. Данная применяемая наплавка должна обеспечить коррозионную, механическую износостойкость в технологических средах нефтехимического производства в течение всего заявленного срока эксплуатации. В этих целях при изготовлении деталей затворных узлов трубопроводной арматуры необходимо применять коррозионностойкие материалы с высокой твердостью. Для наплавки уплотнительных поверхностей входных патрубков, выполненных из стали 09Г2С, решено применять наплавочную порошковую проволоку марки EnDOtec D0*04 по DIN 8555. Выбор порошковой проволоки марки EnDOtec DO*04 для производства наплавочных работ обоснован ее эксплуатационными характеристиками и преимуществами по сравнению с другими наплавочными материалами. Наплавленный слой:
- не склонен к образованию трещин, имеет высокое сопротивление износу, трению типа металл - металл;
- имеет высокое сопротивление тепловому износу и деформации, а также стойкость к отпуску до 650°С;
- имеет окалиностойкость до 900°С;
- устойчив к тепловым ударам и колебаниям температуры, поддается закалке, обрабатывается режущим инструментом, оснащенным нитридом бора или алмазом.
В задачи данной работы входит проведение исследований твердости материалов патрубков клапанов, обоснование заложенного проектного ресурса клапана исходя из полученных характеристик материалов.
Неразрушающий метод определения прочности
При расчете напряженного состояния и проектного ресурса оборудования, как выработавшего свой срок, так и вновь вводимого в эксплуатацию, необходимо знать фактические прочностные характеристики материала, из которого оно изготовлено. Если материал используется впервые и значения его ударной вязкости, пределов прочности и текучести неизвестны, то необходимо провести целый ряд иссле-
Рис. 2. Узел соединения патрубка и штока: 1 - участок соединения патрубок - шток, усиленный наплавкой; 2 - патрубок; 3 - шток; 4 - корпус клапана высокого давления Fig. 2. Branch pipe and valve rod connection node: 1 - connection section of the branch pipe - valve rod reinforced by welding; 2 - a branch pipe; 3 - a valve rod; 4 - a high pressure valve casing
дований для получения таких данных. Для определения механических характеристик металлов широко применяется методика испытаний на растяжение. Методика этих испытаний разработана достаточно подробно и позволяет получить в результате их проведения наибольшее число механических характеристик. Характеристики металлов, полученные при испытаниях на растяжение, используются для оценки прочности. Для испытаний на растяжение требуется изготовление образцов специальной формы. При вырезке заготовок для образцов неизбежно нарушается целостность детали, корпуса аппарата [6]. В случае с клапаном высокого давления такие испытания приведут к разрушению патрубка клапана. Единственным и незаменимым оперативным способом, не нарушающим целостность конструкции, оказывается метод измерения твердости металлов с последующим установлением зависимости между ее значениями и пределами текучести о0:2 и временного сопротивления оВ.
Определение оВ по шариковой пробе впервые было предложено еще Бринел-лем. В настоящее время проведены многочисленные исследования по обоснованию связи между деформациями и нагрузками на основании сходства диаграмм деформирования при одноосном растяжении материалов и вдавливании в них шарика, предложен ряд соотношений, устанавливающих связь между оВ и твердостью (НВ) [10].
При оценке связи между оВ и НВ обычно используют соотношение вида оВ = 0,345 НВ. После статистической обработки экспериментальных данных для широкого круга конструкционных и легированных сталей перлитного и мартенситного классов получены следующие соотношения:
- для сталей с твердостью НВ <150 о0,2 = 0,2 НВ;
- для сталей с твердостью НВ >150 00,2 = 0,367 НВ.
Полученные соотношения между прочностными характеристиками стали и ее твердостью, по Бринеллю, относятся
преимущественно к материалам в состоянии поставки, не находившимися в длительной эксплуатации, что применимо к вновь вводимым в эксплуатацию клапанам высокого давления.
В ряде случаев при поверочных расчетах на прочность элементов диагностируемого оборудования необходимо оценить прочностные характеристики материала исходя из наименьших значений его твердости. Для этой цели известно уравнение линии тренда для всего массива имеющихся экспериментальных данных [7].
Для определения прочностных характеристик наплавки седла патрубка клапана высокого давления и дальнейшего расчета и обоснования ресурса клапана высокого давления проведены замеры твердости по Роквеллу (НРО) с переводом значений по Бринеллю (НВ). Исследования проводились на девяти случайно выбранных из серии изготавливаемых клапанов патрубках РМ40 с наплавкой Епй01ес D0*04 (замеры были проведены на семи изготовленных патрубках, подготовленных к сборке, и на двух патрубках в виде заготовок). Данные сведены в таблицу.
Как видно из таблицы, материал, имеющий высокий предел прочности, обладает высокой твердостью.
Далее с учетом имеющихся данных были выполнены вычисления значения предела прочности оВ:
Ов = 0,345 НВ;
и предела текучести о о,2 [10]:
Оо,2тт = 0,365 НВ - 296.
(1)
(2)
Вычисление наименьшего значения допускаемых напряжений [—] производилось путем подстановки значения оВ и о0,2 в формулы (1) и (2) [9]:
-] = (-); П в
[-] = (^, пТ
где пт = 1,5 - справочно-нормативный запас по пределу прочности; пв = 2,6 - нормативный запас по пределу текучести.
Значения предела текучести и предела прочности наплавок, полученные по результатам замеров твердости Values of overlay welding yield strength and ultimate strength obtained by hardness
measurement results
Номер патрубка с наплавкой ENDOTEC-04 Твердость без термообработки HRC (HB) Значение предела текучести материала Оо2 = 0,365 HB - 296, ' МПа Значение предела прочности материала ов = 0,345 HB, МПа
Заготовка патрубка 01 44-45 (415) 1218,00 1308,55
Заготовка патрубка 02 44-45 (415) 1218,00 1308,55
Патрубок 1 45,5-47 (420,6) 1239,19 1326,79
Патрубок 2 45,5 (420,6) 1239,19 1326,79
Патрубок 3 45,5 (420,6) 1239,19 1326,79
Патрубок 4 45-46 (426) 1258,90 1344,38
Патрубок 5 44,5-46 (415,3) 1219,84 1309,53
Патрубок 6 48-49,5 (460) 1383,00 1455,12
Патрубок 7 45-46 (426) 1258,90 1344,38
Допускаемые напряжения материала для патрубка, изготовленного из стали 09Г2С, согласно ГОСТ 5520-79 [3], учитывая предел текучести материала при расчетной температуре и временное сопротивление разрыву, а также нормативным запасам по пределу прочности и по пределу текучести наименьшие значения [о] со-
ставляют 155,77 МПа [3]. Полученное же наименьшее значение допускаемых напряжений по результатам измерений твердости для наплавки достаточно большое -468,46 МПа. Построен график полученной зависимости (рис. 3). Уравнение линии тренда ов = 0,345 НВ подтверждает эмпирическую зависимость.
300
350
400
Твердость, НВ
450
500
Рис. 3. Зависимость предела прочности от твердости в наплавках седел клапанов
высокого давления
Fig. 3. Dependence of ultimate strength and hardness in the overlays of high pressure valve seats
Оценка ресурса клапана высокого давления
По требованиям заказчиков проектный ресурс клапана высокого давления должен составлять не менее 10 лет. Для подтверждения проектного ресурса патрубка клапана высокого давления воспользовались полученными значениями допускаемых напряжений и провели расчет ресурса патрубка клапана высокого давления в зоне наплавки. Для расчета ресурса были использованы справочные значения скорости коррозионного износа стенки (0,1 мм/год) и количество циклов эксплуатации. Для проведения расчета ресурса патрубка необходимо было вычислить минимально допустимую толщину стенки, при которой патрубок является работоспособным под действием внутреннего избыточного давления [9].
Расчетный коэффициент толсто-стенности корпуса Рр вычислен по формуле [8]:
_ exp(P) Р (№)
где P - расчетное давление; [—] - значение допускаемого напряжения; <р - коэффициент прочности сварных соединений (при отсутствии сварных соединений принимается равным 1).
Для вычисления величины расчетной толщины стенки патрубка Sp, мм, значение полученного коэффициента толсто-стенности корпуса ¡Зр подставлено в формулу [8]:
Бр = 0,5< (Рр -1),
где ^ - внутренний диаметр корпуса патрубка, мм.
Рассчитанная по нормативным значениям толщина стенки патрубка Sp должна составлять не менее 4 мм. Проведя расчет с использованием фактических значений допускаемых напряжений, полученных по результатам замеров твердости патрубка,
укрепленного наплавленным слоем, получен результат, показывающий, что для работоспособности патрубка клапана высокого давления достаточно толщины стенки, равной 1,4 мм (расчетной толщины стенки).
С использованием полученного минимально допустимого значения толщины стенки проведен расчет ресурса патрубка клапана Тр в зоне наплавки от коррозион-
но-эрозионного воздействия среды по формуле [8]:
T =
к (Бф - S р)
a„
где Бф - фактическая толщина стенки патрубка, мм; Бр - расчетная толщина стенки патрубка, мм; К - коэффициент, учитывающий погрешность определения скорости коррозии (К = 0,65 принят для коррозионных сред; К = 0,9 - при незначительной коррозии [7]); атах - скорость коррозии,
мм/год (принята 0,1 мм/год) [8].
Проведенный расчет показал увеличение проектного ресурса наработки на отказ патрубка клапана высокого давления с 45 (по справочным значениям) до 68 лет (по фактическим значениям, полученным по результатам измерения твердости патрубка). Увеличение ресурса обусловлено тем, что при наплавке седла патрубка клапана получены высокая твердость и прочность, улучшающие способность седла патрубка клапана эффективно сопротивляться воздействию коррозии и давлению среды, что подтверждено расчетом. Необходимая минимально допустимая толщина стенки клапана в зоне наплавки, при которой условие прочности патрубка выполняется, уменьшилась.
По требованиям заказчиков установленный срок службы клапана должен составлять не менее 10 лет. По результатам проведенных исследований полученный по фактическим характеристикам материала и подтвержденный расчетом прогнозируемый ресурс клапана от коррозион-но-эрозионного воздействия среды состав-
ляет 68 лет. Учитывая все сказанное, установленный срок службы клапана высокого давления может быть принят равным 10 годам, что является необходимым условием для эксплуатирующих клапаны организаций. Таким образом, высокие эксплуатационные характеристики клапанов подтверждены проведенными исследованиями.
ОАО «ИркутскНИИхиммаш» на постоянной основе разрабатывает и внедряет новые перспективные конструкции клапанов высокого давления, а также совершенствует методы их расчета и оптимизации. В процессе производства все сборные единицы клапана проходят контроль качества неразрушающими методами, ультразвуковой дефектоскопией, рентгенографическим контролем, цветной дефектоскопией, испытания на прочность и герметичность. Проведенные исследования позволили запустить клапаны в серийное производство и
поставить на предприятия заказчиков.
Выводы
1. Проведено сравнение прочностных характеристик наплавки (ENDOTEC-04) седла патрубка клапана высокого давления DN40 из стали 09Г2С, рассчитанных исходя из косвенных характеристик материала по измерениям твердости с прочностными характеристиками согласно нормативной документации [4, 11].
2. Определение прочностных характеристик материала неразрушающим методом подтвердило высокое значение ресурса арматуры, то есть усиленной наплавкой обеспечивается надежность конструкции в течение установленного срока эксплуатации.
3. На основе проведенных исследований налажено серийное производство угловых запорных клапанов высокого давления на DN40.
Статья поступила 31.03.2016 г.
Библиографический список
1. Гайсин С.Н., Зайдес С.А. Условие внутренней герметичности затворов трубопроводной арматуры // Вестник ИрГТУ. 2014. № 6 (89). С. 45-49.
2. ГОСТ 14776-79. Дуговая сварка. Соединения сварные точечные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. М.: Издательство стандартов, 1991.
3. ГОСТ 5520-79. Прокат листовой из углеродистой и низколегированной и легированной стали для котлов и сосудов, работающих под давлением. Технические условия. М.: Издательство стандартов, 1979. 16 с.
4. ГОСТ Р 53402-2009. Арматура трубопроводная. Методы контроля и испытаний. М.: Стандартин-форм, 2010. 58 с.
5. Гуревич Д.Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры. Л.: Машиностроение, 1969. 888 с.
6. Кузнецов К.А., Корчагин А.П. Определение фактических прочностных характеристик металла технических устройств, выработавших проектный ресурс
// Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2014. Т. 80. № 1. С. 51-53.
7. Марковец М.П. Определение механических свойств металла по твердости. М.: Машиностроение, 1979. 192 с.
8. Методика оценки прочности и остаточного ресурса работы трубопроводной арматуры высокого давления. Иркутск: ОАО «ИркутскНИИхиммаш», 2002. 47 с.
9. ПНАЭ Г-7-002-86. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. М.: Энергоатомиздат, 1989. 525 с.
10. Практическая диагностика: монография: в 3 т. / под ред. А.М. Кузнецова. Т. I. Повреждающие факторы, диагностика, дефекты и ремонт оборудования. Иркутск: ОАО «ИркутскНИИхиммаш», 2009. 372 с.
11. СТ ЦКБА 068-2008. Арматура трубопроводная. Затворы запорных клапанов с уплотнением «металл по металлу». Технические требования. СПб.: НПФ «ЦКБА», 2008. 20 с.
References
1. Gaisin S.N., Zaides S.A. Uslovie vnutrennei germet-ichnosti zatvorov truboprovodnoi armatury [Inner pressure tight condition of pipeline valves]. Vestnik IrGTU -Proceedings of Irkutsk State Technical University, 2014, no. 6 (89), pp. 45-49.
2. GOST 14776-79. Dugovaia svarka. Soedineniia svarnye tochechnye. Osnovnye tipy, kon-struktivnye elementy i razmery [State Standard GOST 14776-79. Arc welding. Spot welding. Main types, design elements
and dimensions]. Moscow, Izdatel'stvo standartov Publ., 1991.
3. GOST 5520-79. Prokat listovoi iz uglerodistoi i niz-kolegirovannoi i legirovannoi stali dlia kotlov i sosudov, rabotaiushchikh pod davleniem. Tekhnicheskie usloviia [State Standard 5520-79. Rolled low-alloy and alloy carbon steel sheets for boilers and pressure vessels. Technical specifications]. Moscow, Izdatel'stvo standartov Publ., 1979. 16 p.
4. GOST R 53402-2009. Armatura truboprovodnaia. Metody kontrolia i ispytanii [State Standard 534022009. Pipeline valves. Methods of control and testing]. Moscow, Standartinform Publ., 2010. 58 p.
5. Gurevich D.F. Raschet i konstruirovanie trubo-provodnoi armatury [Pipeline valves calculation and design]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1969. 888 p.
6. Kuznetsov K.A., Korchagin A.P. Opredelenie faktich-eskikh prochnostnykh kharakteristik me-talla tekhnich-eskikh ustroistv, vyrabotavshikh proektnyi resurs [Determination of actual strength characteristics of metal of technical devices with exhaust performance potential]. Zavodskaia laboratoriia. Diagnostika materialov - Industrial laboratory. Materials diagnostics, 2014, vol. 80, no. 1, pp. 51-53.
7. Markovets M.P. Opredelenie mekhanicheskikh svoistv metalla po tverdosti [Determination of metal mechanical properties by its hardness]. Moscow, Mash-inostroenie Publ., 1979. 192 p.
8. Metodika otsenki prochnosti i ostatochnogo resursa raboty truboprovodnoi armatury vysokogo davleniia
[Assessment methods of the strength and residual service life of high pressure pipeline valves]. Irkutsk: OAO «IrkutskNIIkhimmash» Publ., 2002. 47 p.
9. PNAE G-7-002-86. Normy rascheta na prochnost' oborudovaniia i truboprovodov atomnykh energetich-eskikh ustanovok [PNAE r-7-002-86. The norms of strength calculation of nuclear power plant equipment and pipelines]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1989. 525 p.
10. Prakticheskaia diagnostika [Practical diagnostics]. Vol. I. Povrezhdaiushchie faktory, diagnostika, defekty i remont oborudovaniia [Damaging factors, diagnosis, equipment faults and repair]. Irkutsk, OAO "IrkutskNIIkhimmash" Publ., 2009. 372 p.
11. ST TsKBA 068-2008. Armatura truboprovodnaia. Zatvory zapornykh klapanov s uplotneniem "metall po metallu". Tekhnicheskie trebovaniia [St of TSKBA 0682008. Pipeline valves. The clacks of shut-off valves with the "metal on metal" seal. Technical specifications]. Saint-Petersburg, NPF "TsKBA" Publ., 2008. 20 p.
