Примерно также работает и седло для создания герметичных уплотнений в дисковых затворах, при этом моделирование в ANSYS показывает высокую степень контакта между седлом и диском, что свидетельствует о высокой герметичности контакта, рис. 3.2.
а)
б)
Рис. 3.2. Седло типа Flexible lips для работы в дисковых затворах арматуры.
а) схема установки седла
б) расчет контакта уплотнения в ANSYS
Важными элементами седел являются материалы. В зависимости от используемых материалов, могут быть получены наиболее высокие доступные свойства, в частности, термопрочность, рис.3.3.
Рис.3.3. Термопрочность материалов при различных температурах.
К сожалению, необходимо отметить, что достижение высокой термопрочности и термостойкости достигается за счет применения дорогих материалов, для них требуется выдерживать точные режимы и обеспечивать дополнительную термическую обработку для получения структуры по соотношению кристаллической и аморфной составляющих структуры с максимальными свойствами.
К сожалению, необходимо отметить, что достижение высокой термопрочности и термостойкости достигается за счет применения дорогих материалов, для них требуется выдерживать точные режимы и обеспечивать дополнительную термическую обработку для получения структуры по соотношению кристаллической и аморфной составляющих структуры с максимальными свойствами.
При использовании обычных типов уплотнений без участков Flexible lips приходится усиливать давление, что приближает материал к хоне холодной текучести, уменьшает возможное количество выдерживаемых циклов нагружения по давлению и термоциклов, не дает возможности перераспределить напряжения и не допускает разгрузки материала через конструкцию седла.
Пример такого седла показан на рис.3.4.
Рис. 3.4. Потеря давления в контакте между пробкой и седлом в результате холодной текучести материала седла.
Результатом "раздавливания" седла в результате избыточного давления или собственной механодеструкции является выдавливание материала седла в полости, подлежащие герметизации и разрушение седла, рис.3.5.
Рис. 3.5. Деформированное кольцо круглого сечения
а) схема действия сил; б) картина изохром; в) поврежденное кольцо.
Остановимся на этом явлении подробнее. Разрушение кольца при высоком давлении происходит вследствие выдавливание его в зазор неуравновешенной силой Р и повреждения его поверхности в месте контакта с острой или зазубренной кромкой (М). На рис. 3.5.б показана картина изохром, свидетельствующая о распределении напряжений в деформированном кольце (изохрома линия одинаковых разностей главных напряжений). В связи эффектом выдавливания эластичного полимер у кромки должен быть рассчитанный радиус закругления. Если радиус острый, то она будет резать полимер подобно рожу. Чрезмерно большой радиус создает клиновой эффект, в результате которого снижается эффективность герметизации. Наиболее тяжелым режимом нагружения является низкочастотная пульсация давления, при котором кольцо претерпевает все фазы деформации. Характер повреждения кольца при его выдавливании в зазор показан на рис 3.5.в. Таким образом, необходимо учитывать в реальных трубопроводах не только статическую нагрузку, но и количество циклом, при которых седло еще не разрушается. Это количество циклов называют цикловой долговечностью. Оно зависит от амплитуды пульсация давления и характера нарастания давления, а также количества циклов и предела усталости материала.
Для уменьшения проблем, связанных с выдавливанием седел вводят специальные элементы (протекторы) и оставляют достаточно большие полости для возможности накопления деформации седлом, благодаря чему выдавливания материала в зазор с рабочим органом арматуры происходить не должно, рис. 3.6.
Рис. 3.6. Схема расположения уплотнительного кольцевого седла (а-д) и протектора (е) в канавке при увеличении давления среды (приведены данные по круглым кольцевым эластомерным уплотнениям)
В тоже время важной частью задач по обеспечению герметичности является создание герметичного контакта сразу в обоих направлениях. Так, стандарт ANSI B16.34 трактует это так:
П. 2.3.3 тепловое расширение жидкости
При определенных условиях некоторые конструкции двухседельных клапанов способны одновременно герметизировать перепад давления из центральной полости в соседнюю трубу в обоих направлениях.
Обстоятельство, при котором центральная полость заполнена, или частично заполненная жидкостью и подвергнутая воздействию повышенной температуры и которое может привести к чрезмерному нарастанию давления в центральной полости, приводящему к нарушению границы давления там, где такое условие возможно, ответственность за обеспечение или требование о предоставлении средств в конструкции, установке или процедуре эксплуатации для обеспечения того, чтобы давление в клапане не превышало давления, разрешенного настоящим стандартом для достигнутой температуры, лежит на (покупателе).
Станислав Горобченко
Полимерные седла поворотной арматуры. Современные подходы к выбору и изготовлению
Введение
В свое время широкое распространение шаровые краны получили именно благодаря созданию полимерных седел, способных удерживать высокие давления и температуры и обеспечивать требуемую герметичность. Это произошло в 30-е годы 20-го века, когда был изобретен тефлон. С его широким распространением начали производиться в большом количестве и шаровые краны с мягкими уплотнениями.