CC BY
75
разрушения и лабораторные тесты // Advances in Materials Science and Engineering, Hindawi Publishing Corporation, Volume 2012, Article ID 235028. С. 8.
3. Корчагин А.П. Исследование работоспособности и разработка рекомендаций по модернизации автоклавов типа СБТ ёмкостью 1500 л из стали 48ТС (38ХН3МФА) на давление 120 МПа и температуру 4000С с целью увеличения срока службы и повышения надежности: промежуточный отчет, тема 0154-79-96 / ОАО "ИркутскНИИхиммаш", 1980. 43 с.
4. Брэгг У., Кларинбум Г. Кристаллическая структура минералов. М.: Мир, 1967. 390 c.
5. Корчагин А.П. Исследование и определение малоцикловых характеристик металла сосудов. Анализ температур-
ных полей и термоупругих напряжений элементов сосудов: промежуточный отчет, тема 0154-79-96 / ОАО «ИркутскНИИхиммаш», 1980. 48 с.
6. Корчагин А.П. Оценка напряженного состояния основных элементов нижней части сосуда: промежуточный отчет, тема 0154-79-96 / ОАО "ИркутскНИИхиммаш", 1980.
7. Синтез минералов / В.Е. Хаджи [и др.]. М.: Недра, 1987. 487 с.
8. РД РТМ 26-01-126-80 Сосуды и аппараты на давление свыше 100 до 500 МПа. Нормы и методы расчета на прочность / ОАО «ИркутскНИИхиммаш», 1980.
УДК 621.818
УСЛОВИЕ ВНУТРЕННЕЙ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ЗАТВОРОВ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ
© С.Н. Гайсин1, С.А. Зайдес2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассматривается новый подход, объясняющий герметичное состояние затворного узла трубопроводной арматуры. Проанализированы некоторые вопросы плотного состояния в процессе закрывания затвора с идеальной жидкостью, т.е. с жидкостью, не имеющей массы и вязкости. Авторы делают вывод, что запирание зависит не от значения площади затвора, а только от критической доли пятна контакта. Ил. 7. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: трубопроводная арматура; затворный узел; седло; золотник; межуплотнительное пространство.
INNER PRESSURE-TIGHT CONDITION OF PIPELINE VALVES S.N. Gaisin, S.A. Zaides
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article discusses a new approach explaining the pressure-tight condition of the isolating valve of pipeline valves. It analyzes some problems of the tight condition when closing the valve with ideal fluid, i.e. liquid, which has neither mass nor viscosity. The authors conclude that closing depends rather on the critical proportion of the contact area than on the value of the valve area. 7 figures. 6 sources.
Key words: pipeline valves; isolating valve; valve seat; slide valve; intersealing space.
Запорная трубопроводная арматура, предназначенная для перекрытия потока разнообразных сред (вода, пар, газы нефтепереработки, нефть, бензин, керосин, дизельное топливо, котельное топливо, гудрон, мазут, агидол, эмульгатор и др.), широко используется в нефтехимических производствах, транспортных трубопроводах различного назначения, на энергетических предприятиях (ТЭЦ, ГЭС), в жилищно-коммунальных хозяйствах, судовых установках и других технических системах.
Анализ дефектов деталей запорной трубопроводной арматуры показал, что, например, на Ангарском нефтеперерабатывающем заводе (НПЗ ОАО «АНХК») около 80% всех дефектов связано с коррозией уплот-
нительных 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 износа, и около 3% - за счет коррозионных процессов.
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.
Имеется достаточно большое количество теоре-
1Гайсин Сергей Николаевич, зав. лабораториями кафедры технологии машиностроения, тел.: 89646552128, е-mail: [email protected]
Gaisin Sergey, Head of the Laboratory of Mechanical Engineering Technology Department, tel.: 89646552128, e-mail: [email protected]
Зайдес Семен Айзикович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой машиностроительных технологий и материалов, тел.: (3952) 405147, е-mail: [email protected]
Zaides Semen, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Mechanical Engineering Technologies and Materials, tel.: (3952) 405147, e -mail: [email protected]
тических данных [4, 5, 6] об утечках рабочей среды через уплотнения типа «металл-металл» в затворном узле запорной трубопроводной арматуры (ТА). При контактировании между двумя реальными плоскостями образуется пространство сложной конфигурации как в поперечном, так и в продольном сечениях. Современные исследователи представляют межуплот-нительное пространство в виде щелевой модели, приведенного зазора, пористого тела, набора капилляров, перколяционных и конечноэлементных моделей.
Таким образом, можно сделать вывод, что в запорной арматуре абсолютно плотного состояния практически не бывает. В затворе ТА даже при закрытом положении есть щели или каналы, через которые проходит жидкость или газ (утечка). Следовательно, плотное состояние фактически является открытым, только со значительно меньшим объёмом проходящей рабочей среды через замок затвора. Можно предположить, что закрытого состояния как такового вообще не существует, а имеются только открытые состояния с разной величиной геометрического масштаба. В этом случае параметром плотного состояния является масштаб, то есть относительная величина потока или его обратная величина - внутренняя герметичность.
В настоящей работе рассматривается новый подход, объясняющий герметичное состояние затворного узла трубопроводной арматуры.
Для иллюстрации вышеизложенного рассмотрим принцип работы затворного узла клапана (рис. 1). Управление потоком среды с помощью арматуры осуществляется изменением проходного сечения в рабочем органе, состоящем из седла и золотника, соединенного шарниром со шпинделем. Седло - неподвижная часть рабочего органа (затворного узла), образует вместе с золотником проходное сечение. Золотник - подвижная часть рабочего органа (деталь или группа конструктивно объединенных деталей), перемещением или поворотом которого достигают изменения проходного сечения и соответственно пропускной способности арматуры (см. рис. 1).
(УП) происходит процесс нагружения и разрушения поверхностных слоев и нарушения внутренней герметичности (герметичности в затворе). Для восстановления герметичности затвора в производственных условиях обычно проводят капитальный ремонт УП.
Рис. 1. Схема клапана и его затворного узла
На рис. 2 поверхности двух соприкасающихся уплотняющих колец представлены в виде сечения межуплотнительного пространства без приложенной и с приложенной нагрузкой на уплотнительные поверхности затворного узла ТА.
Вследствие сложного контактного взаимодействия запорной арматуры уплотнительных поверхностей
а) б)
Рис. 2. Микронеровности двух соприкасающихся поверхностей до (а) и после (б) приложения усилия
Современные технологии ремонта или изготовления трубопроводной арматуры традиционно предусматривают необходимость обеспечения функциональных метрических параметров, объединяющих в единую совокупность пять групп отклонений [4, 5]:
До - отклонения линейных и угловых размеров;
Д1 - отклонения взаимного расположения поверхностей, осей и центров (характеризуют свободное перемещение подвижных деталей затворного узла ТА);
Д2 - отклонения геометрической формы деталей и поверхностей;
Д3 - волнистость;
Д4 - шероховатость.
Указанные выше виды отклонений в технологических процессах ремонта или изготовления уплотняющих поверхностей трубопроводной арматуры формируются последовательно. Комплексное обеспечение точности по всей совокупности метрических параметров (До, Д1, Д2, Д3, Д4) позволяет получить герметичное соединение затворного узла в соответствии с требованиями ГОСТ 9544-2005 [1].
Как правило, допускаемые отклонения волнистости (Д3) и шероховатости (Д4) достигаются финишными технологическими операциями - шлифованием и доводкой - притиркой уплотняющих поверхностей трубопроводной арматуры [3]. В технологической практике известны факты, когда при ремонте затворного узла его герметичность в некоторых случаях может быть достигнута и после обычной лезвийной обработки.
В связи с этим, рассмотрим некоторые вопросы теории плотного состояния в процессе закрывания затвора с идеальной жидкостью, т.е. с жидкостью, не имеющей массы и вязкости. Будем считать, что потери в жидкости равны нулю, а в трубе имеется одномерное стационарное течение идеальной жидкости (рис. 3).
Рис. 3. Схема истечения жидкости при изменяющемся сечении трубы
Условие неразрывности потока означает, что через любое сечение трубы в единицу времени проходят равные объемы жидкости, которые запишутся в следующем виде:
Б1У1 = Б2У2 ,
где Б1 , Б2 - площади в разных сечениях трубы, а У2 - соответственно скорости в этих сечениях.
Таким образом, в любом месте трубы объём проходящей жидкости не зависит от сечения. Если сечение закрытого затвора не равно нулю согласно современным представлениям, то через него идет тот же самый поток, что и через трубопровод, только с большей скоростью. И только в случае, когда сечение действительно равно нулю, поток скачкообразно прекращается и имеет место плотное соединение (рис. 4). В этом случае будем считать, что закрывание - это предельный случай, который представляет собой разрыв неразрывного потока. Таким образом, открывание и закрывание затвора соответствуют сращиванию и разрыву уплотнительных границ (поверхностей).
Д77777?
Рис. 4. Полностью перекрытое сечение трубы
Для идеальной жидкости очевидна независимость потока от функциональных метрических параметров и любых других геометрических свойств. На идеальной жидкости (например, жидком гелии) затвор вообще не работает. Его качество никак не зависит от функциональных метрических параметров, уплотнительных соединений, то есть от качества обработки уплотни-тельных поверхностей. Физическая картина работы затвора в целом, на идеальной жидкости, существенно отличается от типовых представлений, построенных на основе гидродинамики. Работа затвора существенным образом зависит от свойств рабочей жидкости и может целиком определяться ими.
Поэтому необходимо при теоретическом рассмотрении различать как минимум два вида плотного состояния и соответственно два вида запирания. Первый - это статическое запирание, когда процесс обеспечения плотного состояния осуществляется при гео-
метрическом рассмотрении внешней границы среды (перекрытие потока).
И второй - динамическое запирание, когда процесс обеспечения плотного соединения - это установление стационарного состояния - динамического равновесия сил. В этом случае физические явления в сравнении со статическим запиранием имеют существенно другой характер и в этой работе не рассматриваются.
Рассмотрим процесс статического уплотнения (запирания) запорной арматуры. Статическое запирание происходит путем формирования новой геометрической границы среды. Место пересечения границ среды по определению представляет собой уплотнительную поверхность. Пересечение имеет размерность на единицу меньше размерности пересекающихся границ и в случае трехмерной среды и двухмерных границ будет иметь одно измерение (рис. 5).
Таким образом, в случае трехмерной среды уплотнительной поверхностью является одномерная линия. Бесконечно тонкая линия, а не двухмерная поверхность. Статическое уплотнение обеспечивается на бесконечно узком участке. Отсюда процесс уплотнения при контакте двух уплотнительных поверхностей запорной арматуры теоретически сводится к образованию замкнутой линии уплотнения, когда геометрические границы пятен контакта сливаются в одну линию. В этом случае будем иметь две линии уплотнения, причём вторая линия на уплотнении не сказывается (рис. 6 и 7).
Рис. 5. Схема пересечения плоскостей
Рис. 6. Межуплотнительное пространство без приложенной нагрузки
а) б)
Рис. 7. Условная межуплотнительная поверхность до и после приложения запирающего усилия:
а - режим протекания; б - режим запирания
Рассмотрим случай статического уплотнения для трехмерного потока. Две поверхности с произвольной топологией будут соприкасаться во многих областях составляющих - так называемое пятно контакта. Оно будет представлять собой хаотически разбросанные участки контакта.
Задача плоского протекания идеальной жидкости через реальный затвор может быть сформулирована следующим образом. Каково критическое значение площади пятна контакта, при котором возникает (исчезает) поток? То есть, при каком условии участки контакта образуют сплошную цепь?
Предположим, что распределение участков контакта и отклонения от номинальной плоскости (волнистости) является случайным. Отсюда найдем условия, при которых случайно разбросанные участки контакта образуют сплошную цепь.
Зададим на плоскости сопряжения случайную функцию У(х, у), отражающую величину отклонения поверхности от номинальной плоскости, то есть описывающую шероховатость, волнистость и прочие дефекты. Ограничимся случаем Гауссовых функций, то есть будем считать, что случайная величина есть сумма большого числа случайных слагаемых, вклад которых одинаково мал. Такую функцию всегда можно построить, например, из последовательности случайных чисел типа белого шума, с помощью процедуры сглаживания, на некотором радиусе корреляции.
Преобразуем нормальное распределение [2], также называемое распределением Гаусса. Обозначим через функцию распределения величин У(х, у). Будем считать, что среднее значение отклонений равно 0, то есть пики и впадины равновероятны. Тогда будет иметь вид
f (V) = ■
1
y2S
S 2п
где V - случайные отклонения от номинальной плоскости; б - средняя величина отклонений. Границы участка контакта будут задаваться соотношением V(x,y) = const.
Зададим сближение плоскостей t, меняющееся от величины допуска до нуля и задающее уровень V(x,y), то есть значение константы. Тогда критическая доля пространства, заполненного участками контакта, рав-
на вероятности того, что случайная величина V принимает значение в интервале от - м до С
Xc =
С
j f (V)dV,
(2)
где ^ - критический уровень сближения, или критический уровень V(X,Y), то есть уровень, когда границы участков контакта сольются в сплошную линию.
Так как интегрирование проведено не по всему возможному интервалу, а только по его части, то и значение х<; будет составлять только часть всей площади. Запирание идеальной жидкости произойдет при площади контакта меньшей полной площади затвора. Для гауссовой функции это значение предположительно порядка 0,5.
Из изложенного следует, что запирание зависит не от значения площади затвора, а только от критической доли пятна контакта. Поверхности затвора разной площади будут запирать одинаково при достижении на них критической величины пятна контакта. Именно от критической величины пятна контакта, задаваемого деформацией макро- и микроотклонений при запирании, и зависит наличие уплотнения. Для статического уплотнения качество уплотнения носит дискретный характер - либо оно есть, либо его нет. И задача создания уплотнения сводится не к минимизации функциональных метрических параметров, а к нахождению способа обеспечения критического отношения площади пятна контакта.
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. Для идеальной жидкости и распределения макро- и микроотклонений по случайному закону порог запирания среды будет определяться критическим отношением пятна контакта к площади уплотнения. Полного контакта всей поверхности при этом не требуется.
2. Запирание затвора в действительности осуществляет линия, огибающая участки контакта, слившиеся в одну цепь. Она - истинная уплотняющая поверхность затвора, т.е. бесконечно тонкая линия.
3. С учетом рассмотренных вопросов необходимы дополнительные технологические исследования по обеспечению внутренней герметичности затворов трубопроводной арматуры.
Статья поступила 11.04.2014 г.
2
Библиографический список
1. ГОСТ 9544-2005 Арматура трубопроводная запорная. Классы и нормы герметичности затворов. М., 2006.
2. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. 10-е изд., стер. М.: Академия, 2005. 576 с.
3. Гайсин С. Н., Балакирев В. А., Цвик Л. Б., Безносов С.А. Универсальная многодисковая головка для финишной обработки плоских уплотнительных поверхностей элементов трубопроводной арматуры // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2011. № 11(58). С. 814.
4. Калашников В.А. Оборудование и технологии ремонта трубопроводной арматуры. М.: Машиностроение, 2001. 232 с.
5. Сейнов С.В. Трубопроводная арматура. Исследования. Производство. Ремонт. М.: Машиностроение, 2002. 392 с.
6. Тарасов В.А. Обеспечение заданных характеристик надежности затворов запорной трубопроводной арматуры: дис. ...канд. техн. наук. Братск: БТУ, 2009. 143 с.
УДК 658.562
СОВРЕМЕННАЯ НОРМАТИВНАЯ БАЗА ПРОЦЕДУР ВЫБОРОЧНОГО КОНТРОЛЯ ПО КОЛИЧЕСТВЕННОМУ ПРИЗНАКУ
А
© В.Г. Грудинин1
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Проведен анализ современных стандартов по процедурам выборочного контроля по количественному признаку. Выборочный контроль по количественному признаку является одним из методов статистического анализа и управления качеством продукции и обладает рядом преимуществ по сравнению со сплошным контролем (контролем каждой единицы продукции). В ряде случаев сплошной контроль невозможен (если контроль является разрушающим). Применение статистических методов управления качеством продукции позволяет обнаружить отклонения от технологического процесса изготовления продукции и своевременно скорректировать процесс. Библиогр. 9 назв.
Ключевые слова: статистический приемочный контроль; план выборочного контроля; контроль по альтернативному признаку; контроль по количественному признаку; выборка; партия; приемлемый уровень качества; единица продукции; несоответствие; несоответствующая единица продукции; предел приемлемого качества.
MODERN REGULATION BASIS OF SAMPLING INSPECTIONS BY VARIABLES V.G. Grudinin
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article analyzes the current standards on the procedures of sampling inspection by variables. Sampling inspection by variables is one of the methods of statistical analysis and product quality control. It has a number of advantages as compared with continuous control (inspection of each product unit). In some cases, complete control is impossible (if it is destructive). Application of statistical methods of quality control allows to detect deviations from product manufacturing and perform timely adjustment of the process. 9 sources.
Key words: sampling inspection; sampling inspection plan; control by alternative attributes; control by variables; sampling; party; acceptable level of quality; product unit; nonconformance; nonconforming product; limit of acceptable quality.
В настоящее время статистические методы получили широкое применение в управлении качеством продукции и признаны отдельным элементом системы качества. Одним из элементов управления качеством является контроль. Согласно ГОСТ Р ИСО 9000-2008, контроль - процедура оценивания соответствия путем наблюдения и суждений, сопровождаемых соответствующими измерениями, испытаниями или калибровкой [1]. Контроль классифицируют по различным признакам. В зависимости от объёма контролируемых единиц различают сплошной контроль и выборочный
контроль. Сплошной контроль - контроль каждой единицы продукции. Выборочный контроль - проверка продукции или услуги с использованием выборок (в отличие от сплошного контроля).
Статистический приемочный контроль - это выборочный контроль, после проведения которого принимают решение о приемке или отклонении партии (или другой совокупности продукции, материала или услуги) на основании результатов контроля выборки или выборок, отобранных из этой партии. Часто альтернативой термину «приемка» для целей определения
1Грудинин Владимир Гарриевич, старший преподаватель кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении, тел.: (3952) 405146, 89041371795.
Grudinin Vladimir, Senior Lecturer of the Department of Design and Standardization in Mechanical Engineering, tel.: (3952) 405146, 89041371795.
