CC BY
22й01: 10.25712/Л8Т11.2072-8921.2018.04.025 УДК 66-2
УПРАВЛЕНИЕ ЗОНОЙ СХЛОПЫВАНИЯ КАВИТАЦИОННЫХ ПУЗЫРЬКОВ В ЗАДВИЖКЕ СТАБИЛИЗАТОРОМ
Д. В. Логинов, С. А. Сухов, А. В. Фоминых, И. Р. Чиняев
Применение запорных клиновых задвижек для регулирования потока жидкости (не по назначению) приводит к разрушению деталей затвора. В статье изложены устройство и работа шиберной запорно-регулирующей задвижки со стабилизатором, позволяющим управлять расположением зоны схлопывания кавитационных пузырьков. Стабилизатор поджат к торцевой поверхности шибера пружиной. Поджатие обеспечивает совместное их перемещение вплоть до упора плеч стабилизатора в корпус. Нижняя торцевая радиусная поверхность шибера и ответная поверхность стабилизатора снабжены рядом канавок. Канавки делят поток жидкости на отдельные струи и направляют их в выходной патрубок, что уменьшает эрозионный и кавитационный износ деталей затвора. Расчёты в программе ANSYS показали, что при перепаде давления на клиновой задвижке 0,8 МПа в зоне за шибером вакуум приближается к давлению насыщенных паров. Для предлагаемой шиберной запорно-регулирующей задвижки со стабилизатором давление насыщенных паров может быть достигнуто на входе в канавки между шибером и стабилизатором и на выходе из них при перепаде давления 0,45 МПа. Можно сделать вывод, что в этих зонах начинается процесс кавитации, но схлопывание пузырьков в серийной задвижке происходит сразу за клином, а в предлагаемой задвижке в выходном патрубке в районе фланцев, и это особенно важно в начальной стадии открытия. Ускоренные испытания предлагаемой задвижки проведены в производственных условиях при перепадах давлении 17 МПа. После восемнадцати месяцев эксплуатации герметичность и функция регулирования задвижки MKTR сохранились. Запорная клиновая задвижка в таких условиях эксплуатации теряет герметичность через три месяца.
Ключевые слова: задвижка, затвор, седло, шибер, стабилизатор, жидкость, кавитация, разрушение, давление, эпюры скоростей, расчёты в программе ANSYS, производственные испытания.
ВВЕДЕНИЕ
В клиновых задвижках под шибером и после него возникает сильная турбулизация потока, завихрения жидкости, что является причиной разрушения деталей затвора (рисунок 1).
Рисунок 1 - Тыльная сторона клина и седло клиновой задвижки после шести месяцев эксплуатации в режиме регулирования
Большие скорости жидкости и кавитация за клином являются причиной износа и разрушений (рисунок 2).
Рисунок 2 — Эпюры скоростей потока воды в серийной задвижке
Поэтому применение запорных клиновых задвижек для регулирования потока жидкости (не по назначению) приводит к разрушению деталей затвора [1-12].
МЕТОДИКА
Нами разработана запорно-регулиру-ющая задвижка со стабилизатором, расположенным под шибером (патент на изобретение № 2464470 и на полезную модель № 77657) (рисунок 3).
Рисунок 3 - Задвижка запорно-регулирующая MKTR
Стабилизатор поджат к торцевой поверхности шибера пружиной. Поджатие обеспечивает совместное их перемещение вплоть до упора плеч стабилизатора в корпус. При этом стабилизатор занимает пространство под шибером и закрывает нижнюю часть уплотнительных полей сёдел от воздействия потока жидкости. Нижняя торцевая радиусная поверхность шибера и ответная поверхность стабилизатора снабжены рядом канавок (рисунок 4).
Рисунок 4 - Шибер в сборе со стабилизатором
Канавки делят поток жидкости на отдельные струи и направляют их в выходной патрубок, что уменьшает эрозионный и кави-тационный износ деталей затвора. Зона схлопывания кавитационных пузырьков в выходном патрубке (рисунок 5).
Рисунок 5 - Эпюры скоростей при диаметре отверстий 7 мм
Из рисунка видно, что выйдя из канавок, как из круглых насадок, струи текут вдоль нижней стенки корпуса и выходного патрубка задвижки. Увеличение сечения (высоты) канавок приводит к увеличению ширины уплот-нительных полей и хода шибера. При рациональном диаметре отверстий, образованных канавками, необходимо обеспечить максимальный диапазон тонкого регулирования расхода, что достигается увеличением количества отверстий. Увеличение количества отверстий приводит к уменьшению толщины стенки между ними. Из условий износостойкости толщина стенки не может быть меньше диаметра отверстий.
Стабилизатор уменьшает турбулизацию потока жидкости за шибером. Меняя кон-
струкцию стабилизатора, можно управлять местом расположения зоны образования и местом расположения зоны схлопывания ка-витационных пузырьков. При достижении абсолютного давления в отдельных участках потока давления насыщенных паров возникает кавитация. В расчётах принимали температуру воды 20 градусов, при этом давление насыщенных паров равно 2,3 кПа, то есть близко к нулю. Расчёты в программе ANSYS показали, что при перепаде давления на клиновой задвижке 0,8 МПа в зоне за шибером вакуум приближается к давлению насыщенных паров.
Для предлагаемой шиберной запорно-регулирующей задвижки со стабилизатором давление насыщенных паров может быть достигнуто на входе в канавки между шибером и стабилизатором и на выходе из них при перепаде давления 0,45 МПа. Можно сделать вывод, что в этих зонах начинается процесс кавитации, но схлопывание пузырьков в серийной задвижке происходит сразу за клином, а в предлагаемой задвижке - в выходном патрубке в районе фланцев, и это особенно важно в начальной стадии открытия.
Ускоренные испытания предлагаемой задвижки проведены в производственных условиях при перепадах давлении 17 МПа. После восемнадцати месяцев эксплуатации герметичность и функция регулирования задвижки MKTR сохранились (рисунок 6). Запорная клиновая задвижка в таких условиях эксплуатации теряет герметичность через три месяца, а через 6 месяцев выглядит как на рисунке 1.
¿ЛИг
1 •
Рисунок 6 - Шибер и седло запорно-регулирующей задвижки МКТR после восемнадцати месяцев эксплуатации
Из анализа состояния задвижек после производственных испытаний определены площади их проходных сечений в зависимости от хода шибера. На основании этих данных рассчитаны зависимости расхода через
задвижки от хода регулирующего элемента (рисунок 7).
50|----------
30
10
--—....................
о о.;: 0 04 г.и sos е.: ;л: с:- ;.:s ois о.:
1 - запорно-регулирующая задвижка новая; 2 - запорно-регулирующая задвижка после 18 месяцев эксплуатации;
3 - запорная клиновая задвижка новая;
4 - запорная клиновая задвижка после
6 месяцев эксплуатации
Рисунок 7 - Зависимости расхода через задвижки от хода регулирующего элемента при перепаде давления 100 кПа
У новой запорно-регулирующей задвижки дросселирование воды начинается при 0,1 хода шибера, кривая 1. Через 18 месяцев работы - при 0,05 хода шибера, кривая 2. У новой запорной клиновой задвижки дросселирование воды начинается при 0,08 хода шибера, кривая 3. После 6 месяцев работы через клиновую задвижку при клине в нижнем положении проходит воды более 10 м3/ч, кривая 4.
ВЫВОДЫ
1. Проектные и эксплуатирующие трубопроводную арматуру организации часто устанавливают запорные задвижки в режиме регулирования, что приводит к появлению кавитации, интенсивному износу, и арматура быстро выходит из строя.
2. Разработаны шиберные запорно-регулирующие задвижки со стабилизатором, позволяющим управлять расположением зоны схлопывания кавитационных пузырьков.
3. Проведены ускоренные испытания предлагаемой задвижки в производственных условиях при перепадах давлении 17 МПа. После восемнадцати месяцев эксплуатации герметичность и функция регулирования предлагаемой задвижки сохранились. Запорная клиновая задвижка в таких условиях эксплуатации теряет герметичность через три месяца.
4. Предлагаемые запорно-регулирующие ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 4 2018
задвижки диаметром от 80 до 200 мм, выпускаемые ООО НПФ «МКТ-АСДМ» в городе Курган, нашли широкое применение в нефтегазовой отрасли и могут найти широкое применение в системах тепло и водоснабжения, мелиорации, системах гидромеханизации сельскохозяйственных процессов и везде, где необходимо обеспечить высокую точность процесса регулирования потоков жидкости в течение продолжительного времени.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бирюков, А. В. Обоснование и разработка многоблочной установки очистки природного газа от твердых частиц / Бирюков А. В., Усачев А. П., Шурайц А. Л. // Нефтегазовое дело. - 2012. -№ 4. - С. 437-448.
2. Байкова, Л. Р. Алгоритм расчета показателей энергоэффек-тивности оборудования систем поддержания пластового давления / Байкова Л. Р., Гаррис Н. А. // Нефтегазовое дело. -2018. - Т. 16. - № 2. - С. 61-66.
3. Найгерт, К. В. Технологии управления расходными характеристиками потока посредством изменения реологических свойств рабочих сред / Найгерт К. В., Редников С. Н. // Вестник ЮУрГУ, серия «Машиностроение» Том 16, № 2 (2016) - С. 52-60.
4. Регулирование расхода на водозаборе в системе первого подъёма воды / Сухов С. А. Чиняев И. Р., Фоминых А. В. [и др.] // АПК России. 2014. - Т. 70 - С. 136-140.
5. Гуревич, Д. Ф. Конструирование и расчет трубопроводной арматуры / Гуревич Д. Ф. -М.:Машиностроение, 1968. - 888 с.
6. Идельчик, И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Идельчик И. Е. -М.: Машиностроение, 1975. - 559 с.
7. Сейнов, С. В. Трубопроводная арматура. Исследования. Производство. Ремонт / Сейнов С. В. - М.: Машиностроение, 2002. - 390 с.
8. ГОСТ Р 55508-2013 Арматура трубопроводная. Методика эксперимен-тального определения гидравлических и кавитационных характеристик.
9. Сухов, С. А. Запорно-регулирующее устройство с проходным отверстием в шибере // Материалы международной научно-практической конференции Современное состояние и перспективы развития агропромышленного комплекса, Курган: Изд-во Курганской ГСХА, 2016. - С. 492-496.
10. Шиберное запорно-регулирующее устройство / Сухов С. А., Чиняев И. Р., Фоминых А. В.
[и др.] // Трубопроводная арматура и оборудование. - 2017. - № 5. - С. 36 - 39.
11. Логинов, Д. В. Обзор методов упрочнения трущихся поверхностей / Логинов Д. В., Фоминых А. В. // Техническое обеспечение технологий производства сельскохозяйственной продукции: материалы Всероссийской научно-
практической конференции. - 2017. - Курган: Изд-во Курганской ГСХА. - С. 36-41.
12. Гидравлические и кавитационные характеристики регулирующих клапанов в диапазоне давлений до 3,0 МПа / Котельников Л.
B., Пошивалов Е. А., Чиняев И. Р., Шанаурин А. Л., Фоминых А. В. // Трубопроводная арматура. -2017. - № 2 - С. 54-55.
13. Шпаков, О. Н. Трубопроводная арматура. Справочник специалиста // СПб.- М.: Информационно-издательский центр "КХТ", 2007.
- 463 с.
14. Эйсмонт, В. П. Регуляторы / Эйсмонт В. П. - СПб.: Издательство оОо «Дитон», 2012. - 326 с.
15. Чиняев, И. Р. Определение гидравлических характеристик запорно-регулирующих задвижек / Чиняев И. Р., Фоминых А. В., Овчинников В. М. // Аграрный вестник Урала.
- Екатеринбург: Изд-во Уральской ГСХА, 2013. -№ 2. -
C. 23-26.
16. Чиняев, И. Р. Пример расчета прохождения среды через запорно-регулирующую задвижку / Чиняев И. Р., Шанаурин А. Л., Фоминых А. В. // Зауральский научный вестник. Вып.2(2012).
- Курган: Институт развития образования и социальных технологий, КГУ, 2012. - С. 20-21.
17. Шиберное запорно-регулирующее устройство / Сухов С.А., Чиняев И.Р., Фоминых А.В.
[и др.] // Трубопроводная арматура и оборудование. - 2017. - № 5. - С. 36 - 39.
18. Ездина, А. А. Регулирующее устройство с использованием скручивания потока проводимой среды / Ездина А. А., Пономарева О. А., Фоминых А. В. // Научное обеспечение реализации государственных программ АПК и сельских территорий, 2017. - С. 393-396.
19. Повышение надёжности и эффективности работы шиберной запорно-регулирующей задвижки / Сухов С.А., Чиняев И.Р., Фоминых А.В. [и др.] // Экспозиция нефть газ. - 2013. - № 5. - С. 80-82.
20. Котельников, Л. В. Штуцерное дроссельно-регулирующее устройство / Котельников Л. В., Фоминых А. В. // Техническое обеспечение технологий производства сельскохозяйственной продукции. Материалы Всероссийской научно-практической конференции, 2017. - С. 10-13.
21. Сухов, С. А. Повышение эффективности процесса регулирования потоков жидкости на основе совершенствования конструкции шиберных задвижек // Арматуростроение. - 2014. - № 1. -С. 36-39.
22. Chinyaev I.R., Fominykh A.V., Pochivalov E.A. The Method of Determining the Cavitation Characteristics of Valves // Procedia Engineering 150. -2016. - P. 260-265.
23. Определение пропускной характеристики задвижки шиберной запорно-регулирующей / Сухов С. А., Чиняев И. Р., Фоминых А. В. [и др.] // Экспозиция нефть газ. - 2015. - № 2. - С. 38 - 40.
24. Сухов, С. А., Фоминых, А. В. Пропускная характеристика задвижки шиберной // Нефтегазовый терминал выпуск 8: сборник научных статей Международной научно-технической конференции «Транспорт и хранение углеводородного сырья»; под общ. ред. С. Ю. Подорожникова - Тюмень, ТюмГНГУ, 2015. - С. 202 - 207.
25. Пошивалов, Е. А., Чиняев, И. Р., Фоминых А.В. и др. Анализ методик экспериментального определения кавитационных характеристик трубопроводной арматуры // Трубопроводная арматура. - 2016. - № 4 - С. 42-45.
26. Чиняев, И. Р., Фоминых, А. В., Ерошкин, В.С. Кавитация в шиберных задвижках // Территория «Нефтегаз». - 2013. - № 5. - С. 48-49.
27. Определение гидравлических и кавитационных характеристик клеточного клапана / Фоминых А.В., Пошивалов Е.А., Ильиных Е.А. [и др.] // Вестник Курганской ГСХА. - 2016. - № 1. -С. 71-75.
28. Опыт использования ГОСТ Р 55508-2013 при определении гидравлических и кавитационных характеристик запорно-регулирующего клапана клеточного / Чиняев И. Р., Пошивалов Е. А., Фоминых А.В. [и др.] // Территория «Нефтегаз». -2016. - № 7-8. - С. 96-100.
29. Задвижка запорно-регулирующая / Пошивалов Е.А., Сухов С.А., Фоминых А.В., Чиняев И.Р., Шанаурин А.Л. // Патент России на полезную модель №138816. 2014. Бюл. № 9.
30. Запорно-регулирующее устройство / Заславский Г.А., Рязанов В.А., Сухов С.А., Чиняев И.Р., Шанаурин А.Л., Фоминых А.В. // Патент России на полезную модель № 158069. 2015. Бюл. № 35.
31. Запорно-регулирующее устройство / Заславский Г.А., Рязанов В.А., Сухов С.А., Чиняев И.Р., Шанаурин А.Л., Фоминых А.В. // Патент России на изобретение № 2586958. 2016. Бюл. № 16.
32. Chinyaev I.R., Fominykh A.V., Sykhov S.A. Energy-Saving Shut-Off and Regulating Device // Procedia Engineering 150. - 2016. - P. 277-282.
33. ГОСТ Р 52720-2007 Арматура трубопроводная. Термины и определения. // М.: Стандартинформ, 2007. - 30 с.
34. Фоминых А.В., Чиняев И.Р., Шанаурин
А.Л., Ильиных Е.А. Трубопроводная арматура как основа систем пассивной защиты //
Арматуростроение. - 2016. № 4 - С. 58-63.
35. Chinyaev I.R., Fominykh A.V., Ilinykh E.A. The valve is a shutoff for the passive protection sys-terns of pipelines // Procedia Engineering 150. -2016. - P. 220-224.
36. Фоминых А.В., Овчинников Д.Н., Чиняев И.Р. Гидравлическая система удаления навоза из животноводческого помещения // Главный зоотехник. - 2013. - № 6. - С. 57-60.
37. Фоминых А.В., Шарипов А.Г., Овчинников Д.Н. Обеспечение устойчивой работы фильтрующих центрифуг. // ГУП «Куртамышская типография». - 2012. - С. 108.
38. Фоминых А.В., Шарипов А.Г. Обеспечение устойчивой работы фильтрующей центрифуги при производстве соевого молока // Интеграция науки и бизнеса в агропромышленном комплексе: материалы международной научно-практической конференции. - Курган: Изд-во Курганской ГСХА. -2014. - Т. 3. - С. 111-116.
Дмитрий Владимирович Логинов, аспирант ФГБОУ ВО «Курганская государственная сельскохозяйственная академия им. Т.С. Мальцева», е-
mail:krg.loginov@mail.ru, тел. +7 909 175 26 57.
Сухов Станислав Александрович, директор сборочного производства ООО НПФ «МКТ-АСДМ», e-mail:ooodok@bk.ru, тел. 8 (3522) 65-50-30.
Фоминых Александр Васильевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры эксплуатации и ремонта машин, ФГБОУ ВО «Курганская государственная сельскохозяйственная академия имени Т.С. Мальцева», е-mail: prof_fav@mail.ru, тел.+7 912 839 02 53.
Чиняев Ильгиз Рашитович, кандидат технических наук, директор НПФ «МКТ-АСДМ». e-mail: ruk_mkt@mail.ru, тел. 8 (3522) 65-50-30.
