Development and research of technological possibilities of manufacturing two-layer spherical plugs of ball valves from billets by crimp method

Full Text

В настоящее время при возникновении необходимости транспортировки жидких и газообразных сред шаровые краны востребованы практически во всех отраслях производства. Благодаря совокупности качеств, выгодно отличающих этот вид запорной трубопроводной арматуры от других, шаровые краны нашли широкое применение в промышленности общего назначения, при добыче, переработке и транспортировке нефти и газа, в тепловых и атомных электростанциях, в криогенной промышленности и судостроении. В зависимости от области применения шаровых кранов, транспортируемые среды существенно различаются между собой вязкостью и степенью загрязненности: это среды, нейтральные к материалам затвора (пар, воздух, вода), в отдельных случаях агрессивные кислоты, щелочи, горючие жидкости, а также абразивные, токсичные и ядовитые. Причиной популярности данного вида запорной трубопроводной арматуры являются такие качества, как простота конструкции, высокая и надежная герметичность запорного узла, а также простая форма проточной части и отсутствие в ней застойных зон. Широкое разнообразие условий эксплуатации, транспортируемых сред, требований, предъявляемых к шаровому крану, является причиной возникновения различных конструктивных исполнений этого вида запорной трубопроводной арматуры. Так, по типу присоединения стальные шаровые краны подразделяются на резьбовые, фланцевые и под приварку. Анализируя конструкции отдельных элементов шаровых кранов, следует отметить возможность изготовления и сборки способами холодной штамповки не только сферической пробки, но и корпуса крана [1]. Запорным органом шарового крана является сферическая пробка, к которой предъявляются жесткие требования по отклонению поверхности от сферичности, твердости и шероховатости поверхности. Основными и наиболее распространенными способами изготовления кранов с диаметром условного прохода до Dy=200мм являются: точение пробки из круглого проката на металлорежущих станках (рисунок 1,а), ковка или литье. Данные способы характеризуются низким коэффициентом использования металла, высокой трудоемкостью и наличием излишков массы. В конструкциях кранов с условным диаметром до Dy=200 мм пробка изготовляется сплошной, с Dy более 200 мм – пустотелой, состоящей из сферической оболочки и вваренной в ее полость трубы, образующей проход. Сферическая оболочка может быть выполнена из сваренных между собой полусфер, изготавливаемых вытяжкой из листового материала. Изготовление пробки до Dy=200 мм сплошной, а не сварной вызвано технологическими трудностями [2]. Оригинальной по своему конструктивному исполнению является пробка шарового крана, представляющая собой сферическую оболочку с установленным проходным патрубком для транспортируемой среды (рисунок 1, б). В результате экспериментальных исследований, выполненных на кафедре обработки металла давлением БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, доказана технологическая возможность изготовления рассматриваемого конструктивного исполнения шаровой пробки способами холодной штамповки из трубных заготовок. Описание предлагаемого способа, включая рекомендации по необходимым технологическим расчетам, приведено в патенте [3]. а) б) в) Рисунок 1. Эскизы сплошной (а), полой 1-слойной (б) и 2-слойной (в) сферических пробок шарового крана: 1 – внешняя оболочка; 2 – внутренняя оболочка; 3 – проходной патрубок Рассматриваемая конструкция, изготавливаемая способами холодной штамповки из трубных заготовок по патенту [3], за счет наличия полости между внутренней поверхностью сферической оболочки (рисунок 1, б, поз. 1) и наружной поверхностью патрубка (рисунок 1, б, поз. 3) обладает пониженными массовыми характеристиками, что выгодно ее отличает от сплошных конструкций, полученных в результате обработки резанием или с применением литья (рисунок 1, а). В то же время, применение трубного сортамента в качестве исходных заготовок способствует значительному повышению КИМ за счет уменьшения отхода, а формообразование сферической оболочки способами обжима позволяет получить благоприятную структуру материала. В силу широкого разнообразия областей применения шаровых кранов, технология изготовления сферической пробки должна удовлетворять предъявляемым требованиям по отклонению формы, шероховатости и твердости поверхности, а также, в ряде случаев, обеспечивать коррозионную и эрозионную стойкость. Именно эксплуатационные требования по коррозионной и эрозионной стойкости в сочетании с экономической эффективностью являются причиной создания конструкции пробки шарового крана, представляющей собой двуслойную металлическую оболочку, внешний слой и проходной патрубок которой выполнен из коррозионно– и эрозионностойкого материала, а внутренний – из обычной конструкционной стали (рисунок 1, в). Описание способа изготовления сферической пробки, приведенное в патенте [3], включает также и возможность изготовления многослойной сферической пробки путем одновременного холодного деформирования нескольких трубных заготовок из различных материалов. В связи с этим поставлена задача по разработке и исследованию технологических возможностей изготовления 2-слойных сферических пробок шаровых кранов диаметрами до Dy=200 мм из трубных заготовок способами обжима. Объектом исследования является 2-слойная сферическая пробка шарового крана с условным проходным диаметром Dy=25 мм и условным давлением Py=1,6 МПа. Материалом внешнего слоя сферической пробки и проходного патрубка является сталь 12Х18Н10Т. При этом внутренний слой сферической пробки выполнен из стали 10. Необходимость применения дорогостоящей стали 12Х18Н10Т продиктована требованиями по коррозионной стойкости запорного элемента шарового крана, однако за счет этого возрастает и себестоимость изготовления сферической пробки. По этой причине представляется целесообразным применение минимальной толщины трубного сортамента, необходимого для обеспечения коррозионной стойкости. В то же время, использование стандартных рядов типоразмеров исходных трубных заготовок, регламентированных государственными стандартами для холоднодеформированных бесшовных труб [4, 5], повышает технологичность конструкции за счет обеспечения стандартизации и унификации. Поэтому важной задачей исследования является определение оптимального соотношения толщин стенок наружной и внутренней оболочек шаровой пробки. По этой причине в рамках проводимого экспериментального исследования представляется целесообразным выявление оптимального соотношения толщин внешнего и внутреннего слоя сферической пробки (рисунок 1, в), где SOH – толщина наружной оболочки; δSH+SOH+SOВ суммарная толщина внешнего и внутреннего слоя двухслойной оболочки сферической пробки. Это соотношение толщин должно удовлетворять следующим требованиям: 1. Обеспечение устойчивости и прочности сферической пробки при воздействии внешнего давления транспортируемой среды. 2. Соотношение толщин должно обеспечивать отсутствие зазора между внешней и внутренней оболочкой в момент окончательного формообразования сферической пробки. 3. Ввиду высокой себестоимости коррозионностойкого трубного сортамента, толщина внешнего слоя двухслойной сферической пробки принимается минимально необходимой для обеспечения требований по коррозионной и эрозионной стойкости. 4. В соответствии с государственными стандартами [4, 5] целесообразно использование регламентированного ряда типоразмеров внешнего и внутреннего слоев, а также проходного патрубка. Принятые при проведении исследования соотношения толщин и размеры исходных трубных заготовок даны в таблице 1. Таблица 1 Соотношения толщин и типоразмеры исходных трубных заготовок Значение относительной толщины , % , мм Dнар, мм Dвн, мм 50 2,25 48 42,5 44 2 48 44 33 1,5 48 45 22 1 48 46 На рисунке 2 приведена технологическая схема формообразования сферической пробки составной конструкции с проходным отверстием, а также вид отштампованного натурного образца. Исследование технологической возможности изготовления данной конструкции способами штамповки, произведенное с помощью компьютерного моделирования методом конечных элементов, позволяет выявить проблематику отдельных этапов процесса изготовления и возникающие при формообразовании дефекты, осуществить оценку качества штампуемых деталей, произвести анализ силовых параметров процесса и НДС исследуемых заготовок без необходимости изготовления дорогостоящей штамповой оснастки. а) б) Рисунок 2. Схема процесса формообразования сферической пробки составной конструкции (а) и вид отштампованного образца (б) В ходе экспериментального исследования произведено компьютерное моделирование методом конечных элементов процесса формообразования 2-слойной сферической пробки шарового крана с проходным диаметром Dy25 с различными соотношениями толщин (таблица 1). В соответствии с требованиями по обеспечению отсутствия зазора между внешней и внутренней оболочкой, произведен анализ распределения нормальных напряжений на наружной поверхности внутренней оболочки. Для этого на цилиндрическую образующую исходной трубной заготовки нанесены расчетные точки (рисунок 3, а). а) б) Рисунок 3. Расположение расчетных точек на наружной поверхности внутренней оболочки: а) до деформирования; б) после деформирования Следует отметить, что наличие зазора между наружной и внутренней оболочкой при анализе напряженного состояния свидетельствует о свободной поверхности (σn=0) деформируемых заготовок. В то же время, максимальные по модулю отрицательные значения нормальных напряжений в каждой расчетной точке являются следствием плотного прилегания внешней оболочки к внутренней по всей высоте заготовки (т.е. отсутствием зазора). На рисунке 4 приведены графики распределения нормальных напряжений в расчетных точках для каждого рассматриваемого соотношения толщин слоев. Анализ графика выявил: 1. При соотношении толщин обеспечивается минимальная толщина внешнего слоя, однако значения нормальных напряжений в некоторых рассматриваемых точках экваториальной части близки к 0 (точки 8, 9, 12, 13, 14), что свидетельствует о вероятности наличия зазора между оболочками. Подобная динамика выявлена при соотношении толщин . 2. При соотношении толщин значения нормальных напряжений во всех рассматриваемых точках отрицательны, что свидетельствует об отсутствии зазора между оболочками по всей площади контакта. В то же время, анализ напряженного состояния показывает равномерное распределение значений σnпо высоте заготовки, что является предпочтительным, учитывая условия эксплуатации сферической пробки. 3. При соотношении толщин наблюдается неравномерность распределения значений σn по высоте заготовки, а также избыточная толщина внешнего слоя. Рисунок 4. Распределение значений нормальных напряжений на наружной поверхности внутренней заготовки в момент окончательного формообразования Заключение В результате исследования установлен характер формообразования двухслойной оболочки сферической пробки с оценкой влияния соотношения толщин стенок наружной и внутренней оболочки на качество их сопряжения, напряженно-деформированное состояние, силовые параметры и качество поверхности с определением оптимальных геометрических параметров исходных трубных заготовок, рекомендуемых для производства. Анализ напряженного состояния позволил выявить, что минимальная вероятность наличия зазора между наружной и внутренней оболочкой наблюдается при соотношении толщин . Следует отметить, что при этом суммарная толщина оболочек соответствует прочностным требованиям, а типоразмеры исходных трубных заготовок (таблица 1) регламентированы государственными стандартами. В соответствии с результатами компьютерного моделирования произведено экспериментальное исследование процесса формообразования 2-слойной сферической пробки шарового крана с проходным диаметром Dy 25 методом деформирования натурных образцов (рисунок 2, б). Особый интерес при обработке результатов исследования представляет проведение оценки качества штампуемых деталей на предмет наличия зазора между внешней и внутренней заготовкой, отклонения от сферичности и значений поверхностной твердости внешнего слоя шаровой пробки.

About the authors

N. P Ageev

BGTU “Voenmeh” im. D.F.Ustinova

Email: bgtu_e4@mail.ru
Ph.D. Prof.; 8 (812) 251-84-67, 89533636086

F. M Malyh

BGTU “Voenmeh” im. D.F.Ustinova

Email: bgtu_e4@mail.ru
8 (812) 251-84-67, 89533636086

K. O Dubickij

BGTU “Voenmeh” im. D.F.Ustinova

Email: bgtu_e4@mail.ru
8 (812) 251-84-67, 89533636086

References

Supplementary files