Введение к работе
Актуальность проблемы.
Нормальная работа обрудования, рабочие среды у которого высокоагрессивные вещества, возможна, если его конструктивные элементы, соприкасающиеся с рабочей средой, выполнены из материалов в определенной степени устойчивых к этим веществам. Задача подбора необходимого материала осложняется тем, что в каждом конкретном случае кроме агрессивных свойств среды необходимо учитывать рабочие параметры проведения самого процесса: давление и температуру рабочей среды, продолжительность процесса и др.
Из всех применяемых в настоящее время материалов в силу своих специфических особенностей наиболее подходящими для указанных условий являются фторопласты, и особенно - фторопласт-4. Фторопласт-4 является уникальным материалом, используемым и в уплотнительной технике для изготовления уплотнительных элементов как для неподвижных фланцевых соединений, так и для подвижных соединений - сальниковых уплотнений, и как конструкционный материал для создания оборудования. Диссертационная работа -посвящена вопросам расчета и конструирования разъемных герметичных соединений с фторопластовыми элементами для оборудования химической и нефтехимической промышленности. Она основана на результатах многолетнего опыта автора в исследовании, проектировании, расчете и эксплуатации фторопластового обрудования с высокоагрессивными средами и при получении особо чистых веществ.
Цель работы - обосновать теоретически и подтвердить практически отдельные оригинальные рекомендации по проектированию и расчету узлов уплотнений оборудования с фторопластовыми элементами.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
- определить модуль деформации фторопласта-4 как при сжатии опытного
образца, так и при его восстановлении;
- провести уточнение расчетного аппарата разъемных герметичных соединений с
учетом переменного характера модуля деформации фторопласта-4 при сжатии и
восстановлении;
- исследовать влияние цикличности изменения нагрузки на остаточную
деформацию элементов оборудования из фторопласта-4;
- определить коэффициент релаксации фторопласта-4 и его зависимость от
времени, температуры и нагрузки;
- определить условия проницаемости агрессивных рабочих сред через
фторопластовые футеровки;
- определить деформационные характеристики (коэффициенты податливости)
микронеровностей фторопластовых поверхностей при совместном их контакте и
при контакте со стальной поверхностью в зависимости от высоты
микронеровностей и удельной нагрузки.
- установить оптимальные, исходя из минимальной материалоемкости соединения,
ширину уплотнительной прокладки и зону ее размещения между уплотняемыми
фланцами;
- разработать методику расчета разъемных герметичных соединений, работа
которых не зависит от колебания нагрузки и температуры (фланцевые соединения
с опорным элементом);
- разработать и создать экспериментальный комплекс для проведения
исследований условий герметизации разъемных соединений с фторопластовыми
уплотнительными элементами с последующим проведением этих исследований;
- разработки, и создать экспериментальные установки и методики исследования
расчетных характеристик сальниковых набивок с фторопластовой основой
(коэффициента бокового давления, модулей сжатия и восстановления,
коэффициента трения, коэффициента проницаемости);
- разработать конструкцию сальникового узла способного работать при
повышенных температурах;
- выполнить силовой анализ шарового крана и разработать конструкцию его
запорного узла с элементами из фторопласта-4, обеспечивающую герметичность
крана и исключающую заедание шаровой пробки при ее повороте;
выполнить анализ напряженно-деформационного состояния элементов фторопластовых аппаратов и получить необходимые для их проектирования расчетные уравнения.
Научная новизна:
- впервые установлено, что переменный характер зависимости деформации от
напряжения при сжатии и восстановлении фторопласта-4 существенно влияет на
рабочие характеристики соединения;
-предложено оценивать условия деформации конструктивных элементов, выполненных из фторопласта-4 и сальниковых набивок из композиций на его основе, модулями сжатия и восстановления. По результатам проведенных исследований получены уравнения для определения этих модулей;
- разработана методология расчета и проектирования разъемных герметичных
соединений с уплотнительными элементами, выполненными из материалов, для
которых значения модулей сжатия и восстановления различны (на примере
фторопласта-4);
- впервые установлены значения параметров математической модели
ползучести фторопласта-4;
впервые проведена оценка коэффициента осевой податливости микровыступов фторопластовой поверхности в зависимости от их величины и нагрузок;
- впервые проведена оценка условий герметичности разъемных герметичных
соединений с сопрягаемыми уплотняющими фторопластовыми поверхностями;
установлено, что дисперсность исходного материала при получении фторопластовых заготовок существенно влияет на герметизирующую способность уплотнителя, выполненного из этой заготовки. С увеличением дисперсности герметизирующая способность уплотнителя повышается;
на основании проведенного анализа работы разъемного герметичного соединения получена методика определения оптимальной ширины уплотнительной прокладки с целью снижения материалоемкости соединения;
создана методология расчета и проектирования фланцевого соединения с опорным элементом, установленным параллельно уплотнительной прокладке, модуль упругости которого превышает модуль упругости самой прокладки;
установлено, что в сальниковых уплотнениях с мягкой набивкой отношение боковых нагрузок от набивки или коэффициентов бокового давления по внутреннему и внешнему контуру обратно пропорционально квадрату диаметров этих контуров;
- разработана методика экспериментального определения коэффициента
бокового давления сальниковых набивок с учетом реального распределения
нагрузок;
- разработана конструкция сальникового узла, обеспечивающая компенсацию
температурных напряжений. Получены расчетные выражения для определения
геометрических параметров его элементов;
- разработана математическая модель силового взаимодействия элементов
шарового крана и на ее основе получены расчетные уравнения;
- впервые установлена двойственность значения коэффициента осевой
податливости плоской фторопластовой крышки с накидным фланцем в
разъемном герметичном
соединении и получены уравнения для его оценки.
Практическое значение работы:
-получены расчетные выражения для определения модулей сжатия и
восстановления фторопласта-4 с учетом температуры, величины,
продолжительности и вида нагружения;
-выявлены пути совершенствования конструкции герметичных разъемных соединений с фторопластовыми уплотнителями, направленные на повышение их герметизирующей способности, снижение материалоемкости и повышение ресурса работы и разработаны методы расчета этих конструкций с учетом физико-механических свойств фторопласта-4;
-разработаны более эффективные варианты конструктивного выполнения сальниковых уплотнений;
-разработана конструкция шарового крана и методика его расчета с учетом исключения заедания пробки крана при ее повороте;
-представлена методика расчета узлов соединения царг составного аппарата во фторопластовом исполнении;
-предложена новая конструкция разъемного штуцера для крышки фторопластового оборудования и разработана методика его расчета.
Реализация результатов работы:
Отдельные результаты проведенных исследований были использованы на промышленных предприятиях:
- методика «Расчет усилий затяжки фланцевых соединений емкостных
фторопластовых сосудов, работающих под давлением» была использована в 1991
году на заводе полимеров Кирово-Чепецкого химкомбината и внедрена на
предприятии Укрниихиммаш;
- в 1998 году в ЗАО «МЕТАФЛОН», занимающимся изготовлением изделий
из фторопластов в г. Кирово-Чепецк, было внедрено производство центробежного
консольного фторопластового насоса ФК-8/18/14П, оболочка сальниковой камеры
которого выполнена двухслойной;
конструкция герметичного фланцевого соединения с фторопластовой прокладкой и дополнительным опорным кольцом вместе с методикой его расчета и проектирования была внедрена в 2000 году в ООО «ЭНЕРГОНАЛАДКА С+», занимающимся монтажом и наладкой трубопроводной арматуры и котельного оборудования;
методика «Расчет и проектирование шарового крана, работающего под повышенным давлением» была опробована и внедрена в 2001 году в ООО «ИК Энерпред-Ярдос», занимающимся разработкой, изготовлением и оптовой поставкой шаровых кранов в широком диапазоне по диаметру условного прохода и давления;
конструкция разъемного штуцера для оборудования, выполненного из фторопласта-4, работающего под повышенным давлением, была внедрена при изготовлении емкостных аппаратов на «Казанском заводе малотоннажной химии» в 2004 году.
Апробация работы и публикации.
Результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции «Повышение качества герметизирующих соединений», г. Пенза, 1989 г.; на Всесоюзном совещании «Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии», г. Сумы, 1989 г.; на конференции «Управление качеством уплотнений и метрологическое обеспечение процессов механообработки», г. Пенза, 1991 г.; на семинаре Международной выставки «БЕЛХИМИЯ-94» «Применение фторопластов в различных отраслях промышленности», г. Минск, 1994 г.
Основное содержание диссертации опубликовано в 16 печатных работах. Отдельные технические решения защищены 5 авторскими свидетельствами СССР и двумя патентами Российской Федерации.
Автор защищает:
-комплексное решение научной и практической задачи обеспечения герметичности неподвижных разъемных соединений с фторопластовыми уплотнителями как на стадии их проектирования, так и в процессе эксплуатации;
-методологию расчета и проектирования разъемных герметичных соединений с уплотнительными элементами, выполненными из материалов, обладающих переменными деформационными характеристиками;
-методики исследования физико-механических характеристик
уплотнительных элементов, выполненных из фторопласта-4 и композиций на его основе и результаты этих исследований;
новые технические решения при конструировании сальниковых уплотнений;
методику расчета и конструирования основных элементов шарового крана; -методику расчета сальникового уплотнения с двухслойной сальниковой
коробкой, работающего при повышенных температурах;
-методики расчета составных корпусов аппаратов во фторопластовом исполнении.
Объем работы.
Диссертационная работа изложена на 285 страницах основного текста, содержит 86 рисунков, 42 таблицы, список литературы из 180 наименований и приложения.
