Станислав Горобченко - Курс «Современный ТРИЗ». Модуль «Алгоритм решения инжиниринговых задач АРИнЗ»

Третьим элементом был собственно шток и трудности его уплотнения в таких кристаллизующихся средах. Движение такого штока вверх-вниз с налипшей на него средой всегда приведут к повышенному износу сальникового уплотнения, а за ним и к утечкам и заклиниванию. Собственно цепочка – «седловой клапан (типа вентиля)» – «проблемы утечки и заклинивания» – «проблемы износа штока и уплотнения» взаимосвязаны. Корнем проблемы является возвратно-поступательный тип клапана.

Четвертым элементом с непропорционально большим вкладом в стоимость арматуры оказался корпус и, особенно, материал корпуса. Была применена нержавеющая сталь. Поиск данных по коррозионной стойкости различных материалов в используемых щелочных средах показал, что в своем большинстве может быть применена углеродистая сталь. Она имеет большую прочность и твердость по сравнению с обычно применяемой нержавеющей сталью, и способна значительно больше сопротивляться коррозионно-эрозионному износу. Здесь удалось найти значительно большую почву для экономии по сравнению с другими элементами.

Несмотря на очевидность необходимости корпуса для формирования потока, корпус – это вспомогательная деталь. При этом корпус – самая дорогая, самая сложная в изготовлении и материалоемкая деталь, достигающая до 70% стоимости изготовления всего клапана. Чем меньше корпуса, тем лучше. Чтобы реализовать это на практике – нужно упростить форму, лучше до формы, близкой к трубопроводной, обеспечить полнопроходность, уменьшить размеры, например, за счет устранения фланцев и передачи их в трубопровод (т.н. прифланцовываемое исполнение).

Как видно, рабочий орган и седло оказывают не только положительное (регулирующее воздействие), но и из-за дросселирующего эффекта они могут оказывать отрицательное воздействие на среду после себя, например, при неправильном расчете вызывая значительную нелинейность, автоколебания, в критичном случае – кавитацию, вскипание, слишком значительное падение давления и пр. В связи с этим и, учитывая характер среды, лучше работать в верхней части диапазона регулирования.

Как видно, многие проблемы тянутся одна за другой и представляют собой одну цепочку, упирающуюся в неправильно когда-то подобранный тип клапана. Лучшим решением может быть такая конструкция клапана, которая сама обеспечивает защиту, и от налипания, и от заклинивания. Ею оказывается конструкция сегментного клапана. Набегающий поток входит в чашу сегмента и препятствует прямому контакту металла сегмента и истиранию при трении последующих входящих струй зарастающего трубопровода. Бесфланцевое исполнение, полнопроходность, широкий диапазон регулирования для работы в условиях зарастающего трубопровода также выполнимы для сегментного клапана.

Все выявленные проблемы и недостатки были сведены в диагностическую таблицу 4, см. ниже.

Табл. 4. Экспертно-диагностическая таблица клапана

*Оценка часто проводилась по прайс-листам на отдельные детали и стоимость запчастей.

** материал учтен в стоимости каждого из элементов

Таблица показала озабоченность всех корпусом, как основным узлом, объединяющим все элементы в единое целое. Значительную озабоченность вызвал фланец, однако, в основном за счет его высокой материалоемкости. Рабочий орган и связанное с ним седло вызывают наибольшее внимание в функциональной значимости, а также в отделах, связанных с реальными процессами регулирования (эксплуатация, технологи, механики, КИП). Такие элементы как шток, сальник, подшипник связаны в основном с проблемами ремонта и передачи усилия и относятся в целом к проблемам отдела главного механика.

На основании диагностической таблицы были выработаны основные технические положения и рекомендации по расчету клапана.

1. Фланец. Как элемент, повышающий материалоемкость, рекомендуется к исключению. Применить бесфланцевое исполнение арматуры в позициях, допускающих применение такой арматуры по условиям давления, температуры и протекающей среды.

2. Корпус. Это элемент, имеющий высокую материалоемкость и трудоемкость. Рекомендуется применить по условиям коррозионностойкости более дешевые и прочные материалы (углеродистую сталь) с общим уменьшением веса изделия до 10%. Выполнение корпуса – полнопроходное, бесфланцевое.

3. Рабочий орган. Рекомендуется использовать чашевые сегменты, как эффективно использующие возможности самого потока по снижению абразивного износа.

4. Седло. Рекомендуется обеспечить значительно большую неистираемость седла, а также учитывая вероятность образования кристаллизации и налипаний на сегменте – рассмотреть возможность использования шабрирующих седел, с посадкой с натягом (без подпружинивания) чтобы избежать кристаллообразования под седлом с последующим заклиниванием клапана.

5. Шток, сальник, подшипник. В зависимости от конструкции клапана и, учитывая обеспокоенность их состоянием в основном отдела главного механика, изучить возможности диагностирования и настройки позиционеров на диагностирование их состояния в режиме он-лайн.

На основании представленных материалов была выбрана наиболее эффективная конструкция клапана для регулирования на основании прифланцовываемого сегментного клапана, рис. 18.

Рис. 18. Выбранный регулирующий сегментный клапан серии RA

Сборочный чертеж клапана представлен ниже

Рис. 19. Сборочный чертеж клапана серии RA

Результаты анализа

Среднее снижение размеров по строительной длине составило при условном проходе 100мм 400мм (115мм против 530мм) и по высоте до 400мм (306 мм против 703мм). Особенно впечатлило изменение в весе клапана – снижение веса достигало до 130кг (15кг против 159кг). Столь сильное изменение веса было связано не только с устранением фланца на клапане, но также и с тем, что на два размера изменялся расчетный проход для обеспечения требуемой пропускной способности. Возможности регулирования при наличии V-образного прохода расширялись и создавали возможности увеличения диапазона регулирования с 15–25% максимально для представленных клапанов до регулирования в диапазоне 5–95% по предлагаемому клапану, что важно для условий зарастания.

Большую роль в понимании того, какая конструкция могла бы в большей степени соответствовать долговременным тенденциям развития клапанов для этого сегмента, оказали законы развития технических систем (подробнее см. Горобченко С. Л. Трубопроводная арматура и клапаны: законы развития технических систем и «технологическое проталкивание» в маркетинге, журнал ТПА, №5 2011, стр.58–62.).